Концепция биосферы и экология

С точки зрения уровня организации, о которой шла речь в предыдущей главе, биосфера представляет собой наиболее обширное объединение живых существ. Продолжая линию прежних рассуждений, биосферу можно определить как систему биогеоценозов, или живых сообществ. Ввиду сложности такого объединения представления о биосфере менялись и уточнялись с развитием науки, но главным в них оставалась идея целостной картины живой природы, а также вопросы взаимодействия живых систем и среды их обитания. Последние вопросы составляют содержание экологических исследований.

14.1. Эволюция представлений о биосфере

В буквальном переводе термин «биосфера» обозначает сферу жизни, и в таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Э. Зюссом (1831 — 1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности «пространство жизни», «картина природы», «живая оболочка Земли» и т.п., содержание термина рассматривалось многими другими естествоиспытателями.

Первоначально под всеми этими названиями подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого термина «биосфера» Э. Зюсс в своей книге «Лик Земли», опубликованной спустя почти тридцать лет после введения термина (1909), не замечал обратного воздействия биосферы и определял ее как «совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверхности Земли».

Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры, был Ж. Б. Ламарк. Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об обратном воздействии живых организмов и их систем на окружающие их физические, химические и геологические факторы все настойчивее проникала в сознание ученых и находила реализацию в их конкретных исследованиях. Этому способствовали и перемены, произошедшие в общем подходе естествоиспытателей к изучению природы. Они все больше убеждались в том, что обособленное исследование явлений и процессов природы с позиций отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным. Поэтому на рубеже XIX—XX вв. в науку все шире проникают идеи холистического, или целостного, подхода к изучению природы, которые в наше время сформировались в системный метод ее изучения.

Результаты такого подхода не замедлили сказаться при исследовании общих проблем воздействия биотических, или живых, факторов на абиотические, или неорганические, условия. Так, оказалось, например, что состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют ее структуру. Живые организмы контролируют даже состав нашей атмосферы. Число подобных примеров легко увеличить, и все они свидетельствуют о наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое вещество в значительной мере меняет лик нашей Земли. Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны, зависит, а с другой — сама воздействует на нее. Поэтому перед естествоиспытателями возникает проблема — конкретно исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Такую задачу как раз и поставил перед собой выдающийся российский ученый В.И. Вернадский (1863-1945).

14*

14.2. Концепция Вернадского о биосфере

Центральным пунктом в этой концепции является понятие о живом веществе, которое В.И. Вернадский определяет как совокупность живых организмов.

Кроме растений и животных он включает сюда и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени; во-вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальное живое вещество.

Это воздействие выражается прежде всего в создании многочисленных новых видов культурных растений и домашних животных. Такие новые виды не существовали раньше и без помощи человека либо погибают, либо превращаются в дикие породы. Поэтому Вернадский рассматривает геохимическую работу живого вещества в неразрывной связи животного, растительного царства и культурного человечества, как работу единого целого.

По мнению Вернадского, в прошлом не придавали достаточно значения двум важным факторам, которые характеризуют живые тела и продукты их жизнедеятельности:

• открытию Л. Пастера о преобладании оптически активных соединений, связанных с дисимметричностью пространственной структуры молекул как отличительной особенностью живых тел, что подробно рассматривалось в предыдущей главе;

• вкладу живых организмов в энергетику биосферы и их влиянию на неживые тела.

В состав биосферы входит не только живое вещество, но и разнообразные неживые тела, которые Вернадский называет косными (атмосфера, горные породы, минералы и т.д.), а также и биокосные тела, образованные из разнородных живых и косных тел (почвы, поверхностные воды и т.п.). Хотя живое вещество по объему и весу составляет незначительную часть биосферы, оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением облика нашей планеты.

Поскольку живое вещество является определяющим компонентом биосферы, постольку можно утверждать, что оно может существовать и развиваться только в рамках целостной системы биосферы. Не случайно поэтому Вернадский считает, что «живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически сней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей.

Исходной основой существования биосферы и происходящих в ней биогеохимических процессов является астрономическое положение на-

шей планеты, и в первую очередь ее расстояние от Солнца и наклон земной оси к эклиптике, или к плоскости земной орбиты. Это пространственное расположение Земли определяет в основном климат на планете, а последний, в свою очередь, жизненные циклы всех существующих на ней организмов. Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором всех геологических, химических и биологических процессов на нашей планете. Эту ее роль образно выразил один из авторов закона сохранения и превращения энергии Ю. Майер (1814—1878), отметивший, что жизнь есть создание солнечного луча.

Основное отличие живого вещества от косного заключается в следующем:

1. Изменения и процессы в живом веществе происходят значительно быстрее, чем в косных телах. Вот почему для характеристики изменений в живом веществе пользуются понятием исторического времени, а в косных телах — геологического времени. Для сравнения отметим, что секунда геологического времени соответствует примерно ста тысячам лет исторического времени.

2. В ходе геологического времени возрастают мощь живого вещества и его воздействие на косное вещество биосферы. Это воздействие, указывает Вернадский, проявляется прежде всего в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно.

3. Только в живом веществе происходят качественные изменения организмов в ходе геологического времени. Процесс и механизмы этих изменений впервые нашли объяснение в теории Ч. Дарвина о происхождении видов путем естественного отбора.

4. Живые организмы изменяются в зависимости от изменения окружающей среды, адаптируются к ней, и, согласно теории Дарвина, именно постепенное накопление таких изменений служит источником эволюции. Вернадский высказывает предположение, что живое вещество, возможно, имеет и свой процесс эволюции, проявляющийся в изменении с ходом геологического времени вне зависимости от изменения среды.

Для подтверждения своей мысли он ссылается на непрерывный рост центральной нервной системы животных и ее значение в биосфере, а также на особую организованность самой биосферы. В упрощенной форме эту организованность, по его мнению, можно выразить так: ни одна из точек биосферы «не попадает в то же место, в ту же точку биосферы, в какой она когда-нибудь была раньше. В современных терминах это явление можно описать как необратимость изменений, которые присуши любому процессу эволюции и развития.

Непрерывный процесс эволюции, сопровождающийся появлением новых видов организмов, оказывает воздействие на всю биосферу в целом, в том числе и на природные биокосные тела: почвы, наземные и подземные воды и т.д. Это подтверждается тем, что почвы и реки девона совсем другие, чем третичной и тем более нашей эпохи. Таким образом, эволюция видов постепенно распространяется и переходит на всю биосферу.

Поскольку эволюция и возникновение новых видов предполагают существование своего начала, постольку закономерно возникает вопрос: а есть ли такое начало у жизни? Если есть, то где его искать — на Земле или в космосе? Может ли возникнуть живое из неживого?

Над этими вопросами на протяжении столетий задумывались многие религиозные деятели, представители искусства, философы и ученые. В.И. Вернадский подробно рассматривает наиболее интересные точки зрения, которые выдвигались выдающимися мыслителями разных эпох, и приходит к выводу, что никакого убедительного ответа на эти вопросы пока не существует. Сам он как ученый вначале придерживался эмпирического подхода к решению указанных вопросов, когда утверждал, что многочисленные попытки обнаружить в древних геологических слоях Земли следы присутствия каких-либо переходных форм жизни не увенчались успехом. Во всяком случае, некоторые останки жизни были обнаружены даже в докембрийских слоях, насчитывающих 600 млн лет. Это, по мнению Вернадского, дает возможность высказать предположение, что жизнь как материя и энергия существует во Вселенной вечно и поэтому не имеет своего начала. Такое заключение основано на том, что следы начального живого вещества до сих пор не обнаружены в земных слоях, но чтобы стать обоснованной гипотезой, оно должно быть согласовано с другими результатами научных исследований, в том числе с существующими естественнонаучными гипотезами, например известной гипотезой происхождения жизни А.И. Опарина. Во всяком случае, здесь нельзя не считаться со взглядами тех натуралистов и философов, которые защищали тезис о возникновении живой материи из неживой. Предположения относительно абиогенного, или неорганического, происхождения жизни делались неоднократно еще в Античную эпоху, например Аристотелем, который допускал возможность возникновения мелких организмов из неорганического вещества. С возникновением экспериментального естествознания и появлением таких наук, как геология, палеонтология и историческая биология, эта точка зрения подверглась критике как не обоснованная эмпирическими фактами. Еще во второй половине XVII в. широкое распространение получил принцип, провозглашенный известным

флорентийским врачом и натуралистом Ф. Реди: все живое возникает из живого. Утверждению этого принципа содействовали исследования знаменитого английского физиолога У. Гарвея (1578—1657), который считал, что всякое животное происходит из яйца, хотя он и допускал возможность возникновения жизни абиогенным путем.

В дальнейшем, по мере проникновения физико-химических методов в биологические исследования, снова и все настойчивее стали выдвигаться гипотезы об абиогенном происхождении жизни. Выше мы уже говорили о химической эволюции как предпосылке предбиотиче-ской, или предбиологической, стадии возникновения жизни. С указанными результатами Вернадский не мог не считаться, и поэтому его взгляды по этим вопросам не оставались неизменными, но, опираясь на почву точно установленных фактов, он не допускал ни божественного вмешательства, ни земного происхождения жизни. По-видимому, здесь на него повлияли взгляды ряда выдающихся ученых, как, например, химика С. Аррениуса, который настойчиво защищал такую точку зрения. Поэтому Вернадский перенес возникновение жизни за пределы Земли, но также допускал возможность ее появлении в биосфере при определенных условиях.

Несмотря на некоторые противоречия, учение Вернадского о биосфере представляет собой новый крупный шаг в понимании не только живой природы, но и ее неразрывной связи с исторической деятельностью человечества.

14.3. Переход от биосферы к ноосфере

Превращение разума и труда человечества в геологическую силу планетного масштаба происходило в рамках биосферы, составной частью которой оно является. В. И. Вернадский в своих исследованиях неизменно подчеркивал, какое огромное воздействие человечество оказывает на расширение жизни путем создания новых культурных видов растений и животных. Опираясь на идеи Вернадского, изложенные в лекциях о биогеохимической основе биосферы, французский математик и философ Э. Леруа (1870—1954) ввел в 1927 г. понятие ноосферы, или сферы разума, для характеристики современной геологической стадии развития биосферы. Его позицию разделял также крупнейший французский палеонтолог и философ П. Тейяр де Шарден (1881— 1955), который в своем труде «Феномен человека» определил ноосферу как одну из стадий эволюции мира. Признавая, что эта стадия, как и сам человек, является результатом тысячелетней истории развития

органического мира, он, однако, считал движущей силой эволюции целеустремленное сознание («ортогенез»).

В отличие от него Вернадский рассматривает возникновение сознания как закономерный результат эволюции биосферы, которое, однажды возникнув, затем начинает оказывать все возрастающее влияние на биосферу благодаря трудовой деятельности человека. Но трудовая деятельность человечества напрямую зависит от развития его сознания и познания, которое находит наивысшее выражение в результатах научной деятельности, направленной на открытие объективных законов окружающего мира.

Ноосфера, указывал он, есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше.

Первоначальные представления о направленности эволюционного процесса в сторону возникновения мыслящих существ и признание геологической роли человечества были свойственны многим ученым и до Вернадского. Так, уже в XVIII в. известный французский естествоиспытатель Ж. Бюффон высказал идею о царстве человека, которая в XIX в. была развита основателем современной геологии Ж.Л. Агассисом (1807—1873). Хотя эти идеи и опирались на признание все возрастающей роли человечества в изменении лика Земли, но не были связаны с принципом направленности эволюции живого вещества биосферы. Этот принцип в качестве эмпирического обобщения выдвинул американский ученый Дж. Дана (1813—1895), который еще до появления труда Дарвина впервые четко заявил, что эволюция живого вещества идет в определенном направлении. Основываясь на своих исследованиях ракообразных и моллюсков, Дана пришел к выводу, что в течение, по крайней мере, двух миллиардов лет происходило усовершенствование и рост центральной нервной системы животных, начиная от ракообразных и кончая человеком. Этот процесс он назвал цефализацией, при которой достигнутый уровень организации нервной системы никогда не снижается. Хотя при этом возможны и остановки, и скачки, но направление эволюции не идет вспять. Ле Конт, основываясь на принципе направленности эволюции, назвал эру, связанную с появлением на Земле человека, психо-зойской. Ближе к нашему времени известный русский геолог А.П. Павлов (1854—1929), оценивая чрезвычайно возросшую роль человечества как мощного геологического фактора, в последние годы жизни настойчиво говорил об антропогенной эре в эволюции

биосферы. Подобных высказываний можно было бы привести много, но, за редкими исключениями, они ограничиваются лишь констатацией разрозненных фактов, не рассматривают их в системе и не дают им теоретического объяснения.

Концепция Вернадского впервые привела все известные эмпирические факты и данные в единую, целостную систему знания, которая убедительно объясняет, какие факторы способствовали переходу от биосферы к ноосфере. Концепция основывается на признании решающей роли человеческой деятельности, труда и, главное, мысли в эволюции биосферы, а через нее в изменениях происходящих на Земле геологических процессов и лика Земли в целом. Важно подчеркнуть, что Вернадский не ограничивался исследованием влияния трудовой, производственной деятельности на процессы, происходящие в биосфере и на земной поверхности. Хорошо сознавая, что труд представляет собой целесообразную деятельность, основанную на мысли и воле, он указывает, что ноосфера, или сфера разума, будет все больше и больше определять не только прогресс общества, но и эволюцию биосферы в целом, а через нее и процессы, совершающиеся на Земле. Недаром он рассматривает мысль как планетное явление.

Эволюционный процесс получает особое геологическое значение благодаря тому, что он создал новую геологическую силу — научную мысль социального человечества... Под влиянием научной мысли и человеческого труда биосфера переходит в новое состояние — в ноосферу.

Каким же образом человеческая деятельность влияет на процессы в биосфере, как она способствует ее эволюции? Почему именно эта деятельность придает эволюции биосферы направленный характер?

Прежде всего отметим, что биологическая эволюция присуща лишь живому веществу биосферы, т.е. различным видам растений и животных и, разумеется, человеку в той мере, в какой он развивался до возникновения цивилизации и превращения в Homo sapiens (человека разумного). В дальнейшем, как мы покажем, биологическая эволюция человека переходит в эволюцию социально-культурную.

Эволюция живого вещества биосферы приводит к возникновению новых видов растений и животных, которые, как и остальные виды, неразрывно и непрерывно связаны с окружающей их средой, прежде всего питанием и дыханием как наиболее характерными процессами обмена веществ. Такой обмен приводит к миграции, движению атомов от живого вещества к неживому, в особенности к биогенному, в котором живые элементы объединены с элементами неживыми. Нельзя также забывать, что во время эволюции молекулы и атомы живого вещества не остаются неизменными. А все это во многом меняет

характер взаимодействия живого вещества биосферы не только с ее неживой частью, но и с остальными сферами оболочки Земли.

В период перехода от биосферы к ноосфере на сцену выступает такой мощный геохимический фактор, как постоянно увеличивающееся количество зеленного вещества в биосфере, получаемого посредством расширения посевных площадей и интенсификации земледелия. В результате искусственного отбора новых сортов растений и пород животных значительно ускоряются процессы эволюции, быстрее возникают новые виды. А это, в свою очередь, в еще большей мере способствует ускорению процессов обмена между живым и косным веществом в биосфере.

По-видимому, постепенный переход к ноосфере начался еще сотни тысяч лет назад, когда человек овладел огнем и стал изготовлять первые, весьма несовершенные орудия производства и охоты. Благодаря этому он получил огромное преимущество перед животными, но с геологической точки зрения гораздо более важным был длительный процесс приручения диких стадных животных и создания новых сортов культурных растений. Как известно, именно этот процесс положил начало скотоводству и земледелию, что исторически привело к первому, наиболее значительному разделению общественного труда и систематическому обмену его продуктами между разными племенами.

«Человек этим путем, — указывает Вернадский, — стал менять окружающий его мир и создавать для себя новую, не бывшую никогда напланете живую природу. Огромное значение этого проявилось еще и в другом — в том, что он избавился от голода новым путем, лишь в слабой степени известным животным, — сознательным, творческим обеспечением от голода и, следовательно, нашел возможность неограниченного проявления своего размножения».

Что же касается борьбы с животными, то человек одержал в ней победу, по существу, с изобретением огнестрельного оружия, и поэтому теперь он должен предпринимать особые меры, чтобы не допустить истребления всех диких животных. Еще большие усилия необходимы для сохранения самой биосферы в связи с многократно возросшими техногенными нагрузками на нее. Возникает общая для всего человечества глобальная проблема сохранения окружающей среды, ипрежде всего живой природы.

14.4. Современная концепция экологии

О проблемах экологии по-настоящему заговорили в 70-х гг. XX в., когда не только специалисты, но ирядовые граждане почувствова-

ли, какую возрастающую угрозу несет существующему и будущим поколениям техногенная цивилизация. Загрязнение атмосферы, отравление рек и озер, кислотные дожди, все увеличивающиеся отходы производства, в особенности использованных радиоактивных веществ, и многое другое — все это не могло не повлиять на рост интереса широких слоев населения к проблемам экологии. В связи с этим изменился и сам взгляд на предмет экологии. Хотя термин «экология» был введен Э. Геккелем свыше столетия назад и как самостоятельная научная дисциплина она сформировалась еще в 1900 г., тем не менее долгое время экология оставалась чисто биологической дисциплиной. В настоящее время она вышла уже из этих узких рамок и стала, по сути дела, междисциплинарным направлением исследований процессов, связанных с взаимодействием биосферы и общества. Как указывает известный специалист по этим вопросам Ю. Одум, сейчас экология оформилась в принципиально новую интегрированную дисциплину, связывающую физические и биологические явления и образующую мост между естественными и общественными науками.

О связи экологии с общественными и гуманитарными науками свидетельствует появление таких ее разделов, как социальная, медицинская, историческая, этическая экологии.

Более полное представление об экологии, ее задачах и проблемах мы получим, если будем рассматривать структуру и динамику различных экологических систем, а также разные уровни их иерархической организации.

Экологические системы и их структура. К экологическим системам обычно относят все живые системы вместе с их экологической нишей, т.е. окружающей средой, начиная от отдельной популяции и кончая биосферой. Все они являются открытыми системами, которые обмениваются с окружающей природной средой веществом, энергией или информацией. Наименьшей единицей экологии является популяция. Следовательно, ни молекулярный, ни клеточный, ни организменный уровни, о которых шла речь в предыдущей главе, не рассматриваются в экологии, хотя и живая молекула, и клетка, и тем более организм представляют собой открытые системы, которые могут существовать благодаря взаимодействию со средой.

На популяционном уровне, как мы уже отмечали, различают такие сообщества, как биоценозы и биогеоценозы, в которых сообщества живых организмов исследуются не только во взаимодействии между собой, но и в тесной связи с неорганическими условиями своего существования: почвой, микроклиматом, гидрологией местности и т.п.

Еще более крупным системным объединением в экологии считается биом, который включает в свой состав живые системы и неживые факторы на обширной территории, например лиственные породы деревьев на Среднерусской возвышенности.

Наконец, биосфера охватывает, согласно Вернадскому, все живое, биокосное и косное вещество на поверхности нашей планеты. И хотя она в известных пределах функционирует автономно, но в конечном счете может существовать и развиваться только благодаря энергии Солнца и потому является также открытой системой, которую в отличие от других систем называют экосферой.

В экологии наибольшее значение для изучения структуры ее систем приобретает анализ тех трофических, или пищевых, связей, которые соединяют различные популяции друг с другом. Они рассматривались в предыдущей главе, но теперь мы обратимся к более подробной классификации, чтобы выяснить механизм функционирования трофических связей. Как и раньше, будем различать автотроф-ные и гетеротрофные организмы соответственно тому, питаются ли они самостоятельно за счет преобразования неорганической энергии или же поедают другие живые организмы. Поэтому в экосистеме можно выделить два уровня:

• на верхнем, автотрофном уровне, который называют также зеленым поясом, мы встречаемся с растениями, содержащими хлорофилл и перерабатывающими солнечную энергию и простые неорганические вещества в сложные органические соединения;

• на нижнем, гетеротрофном уровне происходит преобразование и разложение этих органических соединений в простые, неорганические.

Таким образом, в механизме трофических связей можно выделить следующие элементы:

• продуценты автотрофных организмов, главным образом зеленых
растений, которые могут производить пищу из простых, неорганиче
ских веществ;

• фаготрофы, гетеротрофные животные, к которым принадлежат животные, питающиеся другими живыми организмами, растительными и животными;

• сапротрофы, организмы, которые получают энергию путем раз
ложения мертвых тканей или растворенного органического вещества.

В связи с этим гетеротрофные организмы разделяют на биофагов, поедающих живые организмы, и сапрофагов, питающихся мертвыми тканями.

Одна из характерных черт всех экосистем состоит в том, что в них происходит постоянное взаимодействие автотрофных и гетеротроф-

ных подсистем организмов. Такое взаимодействие приводит к круговороту вещества в природе, несмотря на то что иногда организмы разделены в пространстве. Автотрофные процессы наиболее интенсивно протекают на зеленом ярусе системы, где растениям доступен солнечный свет, а на нижнем ярусе усиленно протекают гетеротрофные процессы. Причем значительный временной разрыв между производством органического вещества автотрофами и его использованием приводит к его накоплению. Именно благодаря такому временному разрыву на нашей планете образовались огромные запасы ископаемого топлива, которые до сих пор служат важнейшим источником энергии для человечества.

Взаимодействия частей и целого в экологических системах могут исследоваться двумя путями. С одной стороны, изучением свойств частей и экстраполяцией их на свойства целого. Такое сведение свойств целого к сумме свойств его частей представляет собой типичный случай редукционизма и потому сталкивается с немалыми трудностями. С другой стороны, признание специфичности свойств целого, несводимости их к свойствам частей открывает значительные перспективы для исследования и получения эффективных новых результатов. Обычно в конкретных исследованиях системный метод изучения становится совершенно необходимым в тех случаях, когда части целого настолько тесно связаны между собой, что их трудно отделить друг от друга и посредством такого приема получить знание о свойствах системы в целом. В противоположность этому суммативный метод используется тогда, когда отдельные части совокупности могут изучаться относительно независимо друг от друга и поэтому свойства целого можно выявить путем суммирования свойств частей. Отсюда становится ясным, что каждый из этих методов следует применять в зависимости от конкретных условий исследования. Следовательно, они не исключают, а предполагают и дополняют друг друга.

Суммативный подход часто оказывается целесообразным при проведении экспериментов с экологическими совокупностями, когда исследуют, например, воздействие различных внешних факторов на систему. Системный подход нередко используется при построении теоретических моделей, когда необходимо выяснить взаимодействие различных частей экосистемы.

Теоретическое моделирование представляет собой абстрактное выражение реальных процессов, происходящих в природе. Оно может осуществляться с помощью соответствующих понятий и величин, характеризующих поведение и развитие экосистем. Нередко для большей ясности и наглядности в этих же целях используются графические мо-

дели. Поскольку важной целью моделирования является предсказание поведения системы в различных условиях и в разные периоды времени, постольку в последние годы в экологии стали чаще прибегать к построению математических моделей, начиная от простейших, типа так называемого черного ящика, и кончая сложнейшими, в которых учитывается действие большого числа переменных. Для их расчета используются мощные компьютеры и другая вычислительная техника.

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 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 подобного рода факты опирается известная гипотеза Геи-Земли, которая упоминалась в гл. 12. Она предлагает совершенно иной подход к причинам и факторам становления жизни на нашей планете. Если традиционно допускают, что жизнь на Земле появилась после того, как возникла атмосфера со значительным содержанием в ней кислорода, то гипотеза Геи-Земли предлагает другой подход. Она считает, что образование кислорода и атмосферы в целом обязано воздействию тех простейших живых организмов, которые в анаэробных условиях, т.е. при существовании без кислорода, 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, а кислорода в атмосфере Марса 0,13%, в атмосфере Венеры замечены лишь его следы. Примерно такая же картина наблюдалась бы на безжизненной Земле. Конечно, гипотеза Геи-Земли нуждается в дальнейшей разработке и обосновании, но она опирается на важную и в целом признаваемую многими учеными 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.

Поскольку экосистема — система открытая, то 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 результа-

те такого взаимодействия осуществляется постоянный обмен энергией и веществом между экосистемой и средой, что выражается:

во-первых, в усвоении системой абиотических, или неорганических, факторов среды (солнечная энергия, вода, минеральные вещества и т.п.);

во-вторых, биотических, или органических, факторов посредством тех трофических, или пищевых, связей, которые существуют между разными живыми системами.

Функционирование и эволюция экосистем зависит 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.

Информация и управление в экосистемах. Управление и регулирование в экосистемах 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.

Согласно кибернетическим принципам, всякий процесс управления связан с передачей и преобразованием информации. Для устойчивого динамического функционирования системы необходимо наличие, во-первых, 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. Принцип такого 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 отрицательной обратной связи. Нетрудно понять, что указанный принцип объясняет лишь процесс достижения и сохранения динамического

равновесия в любой системе, но для того чтобы понять, как происходит 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 отмечали, регулирующие центры в них 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 живых организмов и окружающей среды 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 экосистем проявляется прежде всего в достижении большей стабильности их функционирования и развития в сравнении с отдельными организмами в результате 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 еще раз следует подчеркнуть, что любая экосистема, начиная от популяции и кончая экосферой, представляет собой надорганизменный уровень существования живого в природе, качественно отличающийся от отдельного организма. Именно в результате объединения отдельных организмов в границах целого, их взаимодействия друг с другом экосистема приобретает новые, системные свойства, которые отсутствуют у отдельных

организмов. Соответственно этому меняются и различные связи экосистемы с окружающей средой. Наиболее важными и, по существу, решающими являются энергетические связи.

Энергетическая характеристика экосистем. Если проследить процессы превращения и получения энергии в экосистемах, то нельзя не прийти к тому выводу, который сделал упоминавшийся выше 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.

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, или рассеяние, в окружающее пространство. Для характеристики этих процессов нам необходимо привлечь законы термодинамики, с которыми мы уже знакомы, но их необходимо конкретизировать применительно к экосистемам.

Закон сохранения энергии полностью применим и к экологическим системам, ибо никогда не наблюдались случаи создания энергии из ничего. Энергия может лишь превращаться из одной формы в другую, но она никогда и 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 энергию. Процесс концентрации рассеянной солнечной энергии происходит, как уже отмечалось выше, в различных живых системах и охватывает 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 энергию.

Какую энергию можно считать концентрированной?

С экологической точки зрения такая энергия по способу своего получения будет тем больше концентрированной, чем дальше отстоит источник ее получения, например пища, 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. характери-

15-925

зующуюся меньшей степенью беспорядка. Ведь в результате концентрации энергии происходит выведение беспорядка из системы во внешнюю среду. Поэтому если беспорядок в системе уменьшается, то во внешней среде он увеличивается.

В отличие от концентрации рассеяние энергии сопровождается возрастанием беспорядка в системе. 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. Например, ископаемое топливо обладает большим рабочим потенциалом, чем рассеянная солнечная энергия. Аналогично этому 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, по сути дела, сводится к изучению связи между рассеянным солнечным излучением и экосистемами, а также процессами последовательного превращения менее концентрированных форм энергии в более концентрированные.

Поскольку материальное производство общества существенным образом зависит от использования энергии, постольку представляется целесообразным провести классификацию экосистем с точки зрения использования их энергии в интересах развития общества, и прежде всего его производительных сил. На этой основе можно выделить четыре фундаментальных типа экосистем:

1. Природные системы, полностью зависящие от энергии солнечного излучения, которые можно назвать системами, движимыми Солнцем. Несмотря на то что такие системы не в состоянии поддерживать самостоятельное энергетическое существование живых организмов, они, тем не менее, важны для сохранения необходимых экологических условий на планете. Следует также отметить, что такие природные системы занимают огромную площадь на земной поверхности. Ведь только одни 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 тропические леса и неко-

торые другие экосистемы. Кроме солнечной энергии такие системы функционируют за счет энергии морских прибоев, приливов, глубоководных течений, рек, дождей, ветра и т.п.

3. Природные системы, движимые Солнцем и получающие энергию от ископаемого топлива (нефть, уголь, древесина и др.). Исторически такие смешанные естественные и 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, которые используют главным образом энергию ископаемых горючих, преимущественно нефти, угля, газа, а также радиоактивных веществ для получения атомной энергии. В этих системах производится основное богатство страны в виде разнообразных промышленных товаров, а также переработка пищевых продуктов для питания большого количества населения, сконцентрированного в городах и индустриальных центрах. 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 все увеличивающимися отходами производства. Загрязнение атмосферного воздуха, отравление водных источников, накопление радиоактивных отходов — неизбежные спутники жизни в крупных индустриальных центрах. Хищническая эксплуатация быстро сокращающихся запасов ископаемого топлива, погоня за прибылью любой ценой и особенно за счет нарушения экологического баланса в окружающей среде — все это с особой остротой выдвигает перед человечеством, и прежде всего перед промышленно развитыми странами, глобальную экологическую проблему сохранения динамического равновесия биосферы и нормального жизнеобеспечения людей. Поскольку сейчас наша цивилизация находится в процессе перехода от биосферы к ноосфере, когда разум становится определяющей силой общества, то вполне естественно задуматься над глобальной стратегией и перспективами дальнейшего развития мира. Хотя строить прогнозы всегда рискованно, тем не менее они необходимы для того, чтобы наметить основные направления, по которым с определенной степенью вероятности можно эффективно подготовиться к встрече будущего.

15-

Недостатка в таких прогнозах и сценариях будущего развития не ощущается. Одни из них имеют оптимистический характер и делают ставку главным образом на то, что новая технология будет принципиально отличаться от современной, станет безотходной, менее энергоемкой и более совершенной по другим параметрам. Другие считают, что при установившейся тенденции развития никакая технология не спасет общество, если люди будут непрерывно увеличивать потребление, предприниматели добиваться получения максимальной прибыли, а промышленно развитые страны неизменно 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 явно недостаточно для выхода из экологического кризиса и решения экологических проблем в будущем. Для этого 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 тот вред, который наносится окружающей среде в результате такого производства. Все признают, что рыночная экономика пока еще не научилась это 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 и, по крайней мере, ослабить ее остроту.

В этой связи заслуживает особого внимания инициатива ученых и общественных деятелей, объединившихся в рамках Римского клуба, участники которого собрались в 1968 г. для обсуждения актуальных глобальных проблем человечества. Первый же доклад, «Пределы роста», представленный американскими учеными Д. и Д. Медоузами в 1972 г., вызвал сильнейший шок среди многих политических деятелей и представителей общественности. 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. Хотя 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 М. Месаровичем и Э. Пестелем, преодолены некоторые недостатки первого и намечены перспективы развития не столько мирового сообщества, сколько отдельных его регионов. Такой подход учитывает конкретные особенности и условия роста отдельных регионов мира, и поэтому он 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.

Деятельность Римского клуба привлекла внимание широкой публики к актуальным глобальным проблемам современности, в частности к такой жизненно важной для всего человечества проблеме, как сохранение окружающей природной среды. Участники клуба наметили также возможные пути решения проблем, однако мало преуспели в том, чтобы убедить общество следовать их советам и сделать конкретные усилия по реализации выдвинутых ими программ и рекомендаций.

Основные понятия и вопросы
Атмосфера	Косное вещество
Биокосное вещество	Ноосфера
Биосфера	Принцип Реди
Гидросфера	Рассеяние энергии
Гомеостаз	Римский клуб
Живое вещество	Трофические связи
Концентрация энергии	Экосистемы