Принципы, законы и правила функционирования гео-и экосистем

В географических науках, в силу ряда объективных и субъективных причин, не сложилось теоретических основ в виде логически стройной, общепризнанной системы аксиом и законов. Д. Л. Арманд [12] убедитель­но показал, что в географии, в науке сложной, комплексной, законов природы (т.е. необходимых, существенных, устойчивых, повторяющих­ся отношений между явлениями) нет, а есть лишь закономерности, об­щее число которых не поддается даже приблизительным оценкам. Иная ситуация (по крайней мере, с внешней, формальной стороны) сложи­лась в экологии и природопользовании.

Н. Ф. Реймерс [11] сис­тематизировал около 300 сформулированных разными авторами обоб­щений различного уровня (законов, правил, принципов), применимых к природным и общественным системам. Эти обобщения подразделя­ются по уровням (аксиома, гипотеза, принцип, закон, правило) и сфе­рам применения: общесистемные обобщения, физико-химические и молекулярно-биологические основы существования живого, эколого-организменные закономерности, закономерности системы «организм-среда», популяционные законы, биогеографические закономерности, законы функционирования биоценозов и сообществ, экосистемные за­коны, общие закономерности экосферы и биосферы Земли, закономер­ности эволюции биосферы, законы системы «человек—природа», зако­ны социальной экологии, природопользования, принципы охраны сре­ды жизни, социальной психологии и поведения человека.

Таким образом, Н. Ф. Реймерс систематизировал обобщения, отно­сящиеся ко всем областям «большой» экологии. При этом обобщения, относящиеся к природопользованию, вынесены в отдельный раздел, а обобщения, применимые к смежным областям знаний, рассредоточены по разным разделам.

Рассмотрим содержание некоторых обобщений, наиболее обоснованных, признанных и применимых, в том числе, и к проблемам природопользования.

Общесистемные обобщения должны действовать в любых систе­мах (совокупностях взаимодействующих элементов), независимо от их конкретного содержания. К ним относятся, в частности, аксиома эмерджентности, закон последовательности прохождения фаз развития, за­кон неравномерности развития систем, принцип Ле Шателье-Брауна, закон развития системы за счет окружающей ее среды, периодический закон географической зональности.

Аксиома эмерджентности, сформулированная еще в античное вре­мя, гласит: «Целое больше суммы его частей». Это означает наличие у системного целого особых свойств, не присущих отдельным компонен­там или даже их сумме, не объединенной системообразующими связя­ми. Аксиома эмерджентности весьма важна для формирования эколо­гического мышления: так, одно дерево, редкостой, разрозненные купы деревьев — еще не лес, лес возникает при определенной густоте древо­стоя, соответствующей растительности, животного мира и других усло­виях. Эмерджентность природных систем необходимо учитывать при экологической экспертизе и прогнозировании последствий тех или иных решений, в то же время это обесценивает отраслевой, покомпонентный подход к природным явлениям.

Закон последовательности прохождения фаз развития гласит: фазы развития природной системы могут следовать лишь в эволюционно и функционально закрепленном, исторически (эволюционно, геохимиче­ски, физиолого-биохимически) обусловленном порядке, обычно от бо­лее простого к более сложному, без выпадения промежуточных этапов.

Закон неравномерности (разновременности) развития систем или подсистем в больших системах: подсистемы одного уровня иерархии развиваются не строго синхронно — в то время как одни из них достиг­ли более высокого уровня развития, другие могут оставаться в менее развитом состоянии. Это — один из факторов формирования разнооб­разия сложных систем.

Принцип Ле Шателье-Брауна: при внешнем воздействии, выводя­щем систему из равновесия, это равновесие смещается в том направле­нии, при котором эффект внешнего воздействия смягчается. Этот прин­цип, сформулированный на основе материалов изучения термодинами­ческих процессов и химических реакций, ныне может рассматриваться как универсальный, поскольку он широко проявляется в самых разных естественных науках. Его следствием является повсеместно распрост­раненное приспособление форм и свойств природных объектов к про­цессам, их формирующим. Примеры действия принципа Ле Шателье-Брауна многочисленны и разнообразны: приобретение организмами за­щитной окраски и иные приспособительные реакции при отборе, образование под воздействием выветривания устойчивых в зоне гипергенеза осадочных пород, меандрирование русел в результате адаптации их плановых форм к турбулентному характеру водных потоков. В на­стоящее время данный принцип оказался в центре дискуссий по про­блемам глобальной экологии. Активно обсуждается вопрос о наруше­нии этого принципа под влиянием деятельности человека. Согласно одной из точек зрения, если в геологическом и историческом прошлом биота отвечала на увеличение содержания углекислого газа повышени­ем биопродуктивности, что способствовало удалению из атмосферы из­бытка углекислого газа, то ныне биота сама выбрасывает в атмосферу углекислый газ, а продуктивность ее снижается (см. ниже) [11]. Прин­цип Ле Шателье-Брауна имеет множество следствий.

Закон развития природной системы за счет окружающей ее среды. Любая природная система может развиваться только при помощи мате­риально-энергетических и информационных возможностей окружаю­щей ее среды. Абсолютно изолированное саморазвитие невозможно. Последствия этого таковы:

1. Абсолютно безотходное производство невозможно, как и созда­ние вечного двигателя. Не безотходна и сама биосфера, так как в ней накапливаются выпадения из биологического круговорота вещества, формируются осадочные породы.

2. Любая более высокоорганизованная система, используя и видоиз­меняя среду жизни, представляет потенциальную угрозу для более низко­организованных систем (поэтому в биосфере невозможно вторичное за­рождение жизни — она будет подавляться существующими организмами).

3. Биосфера Земли как система развивается не только за счет внут­ренних ресурсов планеты, но и опосредованно, за счет и под управляю­щим воздействием космических систем, в первую очередь Солнца.

Периодический закон географической зональности сформулирован Л. С. Бергом и А. А. Григорьевым: со сменой физико-географических поясов аналогичные ландшафтные зоны периодически повторяются. Периодичность заключается в том, что значения радиационного индекса сухости в разных климатических поясах (и, следовательно, при разных значениях радиационного баланса) меняются в одних и тех же преде­лах от 0 до 4-5. При этом минимальным значениям индекса сухости в каждом поясе соответствуют лесные ландшафты, максимальным — пустынные.

Обобщения, относящиеся к биотическим системам, включают фи­зико-химические и молекулярно-биологические основы существования живого, эколого-организменные закономерности, закономерности сис­темы организм — среда, популяционные законы, биогеографические за­кономерности, законы функционирования биоценозов и сообществ, экосистемные законы, общие закономерности экосферы и биосферы Зем­ли, закономерности эволюции биосферы.

Согласно закону физико-химического единства живого вещества, сформулированному В. И. Вернадским, «вся биосфера распределяется... на различные комбинации однородного живого вещества» [10], вследствие этого вещества, вредные для одних видов, не могут быть без­различными для других. Многочисленные и широко известные факты неизбирательного действия пестицидов, их миграции и накопления в трофических цепях могут рассматриваться как примеры действия дан­ного закона. Физико-химическое единство живого достигается благо­даря круговороту веществ. В круговоротах участвуют все известные из геохимии формы миграции вещества: механическая, газовая, водная, биогенная.

Связи между геосферами, сводящиеся к воздействию на организмы как биотических, так и абиотических факторов, описываются законом толерантности В. Шелфорда, законом минимума Ю. Либиха, правилом компенсации (взаимозаменяемости) факторов Э. Рюбеля, законом не­заменимости фундаментальных факторов В. Р. Вильямса. Согласно за­кону толерантности, фактором, лимитирующим процветание организ­ма или вида, может быть и максимум, и минимум воздействия, диапа­зон значений между ними определяет интервал выносливости (толерантности) вида к данному фактору. Согласно закону минимума, устойчивость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Закон минимума дополняется правилом взаимодействия факторов: организм в определенной мере способен ком­пенсировать недостаток или избыток некоторых (не всех) факторов дру­гими, функционально близкими. Так, недостаток света для растения может быть компенсирован избытком углекислого газа. Однако действие данного правила ограничивается законом незаменимости фундамен­тальных факторов, недостаток или отсутствие фундаментальных фак­торов, таких, как воздух, вода, питание, не могут быть заменены други­ми факторами.

Воздействие физико-географических факторов на расселение био­логических видов описывается рядом биогеографических закономерно­стей, действующих как частные случаи перечисленных выше законов факториальной экологии. Это, прежде всего, правило ограничивающих факторов среды — географический вариант трактовки закона миниму­ма: факторы среды, наиболее удаляющиеся от оптимума экологических потребностей вида, лимитируют возможности его существования в дан­ных условиях. В роли таких факторов обычно выступают крайние зна­чения зимних и летних температур, параметры увлажнения. Поскольку изменения того и другого проявляются как в климатической зонально­сти и провинциальности, так и в микроклиматических колебаниях, гра­ницы ареалов отдельных видов оказываются расплывчатыми: вблизи климатических границ ареалов отдельные участки территории, в зави­симости от микроклиматических условий, могут быть и пригодными, и непригодными для вида. В результате ареалы оказываются разорванны­ми на локальные места обитания, приуроченные к благоприятным уча­сткам, — правило топографического (популяционного) кружева ареала.

Расположение таких благоприятных участков, в свою очередь, подчи­няется определенным местным географическим закономерностям: теп­лолюбивые виды могут расселяться по южным склонам, влаголюби­вые — по понижениям и т. п. Для одного и того же вида расположение таких участков в разных частях ареала бывает неодинаково: у северных границ ареала — на южных склонах и наоборот — правило географичес­кой изменчивости кружева ареала.

На северных склонах обычно форми­руются ландшафты, свойственные более северным районам, на южных — характерные для более южных, — правило предварения. Такие «предва­ряющие» экосистемы отличаются от типичных зональных относитель­ной бедностью видов.

Условия существования видов обычно наиболее благоприятны в центральной части ареала — правило географического оптимума, имею­щее, однако, немало исключений.

Среди обобщений, описывающих функционирование экосистем, исключительно емким по содержанию и столь же важным по вытекаю­щим следствиям и их практическому значению является закон внут­реннего динамического равновесия (сформулирован Н. Ф. Реймерсом в начале 1970-х гг. [10]): вещества, энергия, информация и динамиче­ские качества отдельных природных (экологических) систем и их иерар­хии взаимосвязаны настолько, что любое изменение одного из этих по­казателей вызывает сопутствующие функционально-структурные пере­мены, сохраняющие общую сумму вещественно-энергетических, информационных и динамических качеств экосистемы, где эти измене­ния происходят, или в их иерархии. Следствия из этого закона:

1. Любое изменение среды (вещества, энергии, информации, дина­мических качеств экосистем) приводит к развитию природных цепных реакций, направленных в сторону нейтрализации произведенного из­менения или, при значительных изменениях, формирования новых при­родных систем (по смыслу близко к упомянутому выше принципу Ле Шателье).

2. Взаимодействие компонентов экосистемы количественно не ли­нейно, т.е. незначительное изменение одного компонента может вызвать сильные изменения в других и во всей системе (объясняет механизм действия закона «все или ничего» X. Боулича).

3. Производимые в крупной экосистеме перемены относительно не­обратимы: проходя по иерархии снизу вверх, от места воздействия до биосферы в целом, они меняют глобальные характеристики и, таким образом, переводят их на новый эволюционный уровень (по содержа­нию соответствует закону необратимости эволюции).

4. Любое местное преобразование природы вызывает в глобальной совокупности биосферы и ее крупнейших подразделениях ответные ре­акции, приводящие к относительной неизменности эколого-экономического потенциала; увеличение эколого-экономического потенциала возможно лишь путем значительного возрастания энергетических зат­рат (это следствие носит название «правило тришкина кафтана»).

Следствием закона внутреннего динамического равновесия являет­ся закон экологической корреляции: в экосистеме, как и в любом другом целостном природно-системном образовании, все входящие в него био­тические и абиотические компоненты функционально соответствуют друг другу.

Значение закона внутреннего динамического равновесия как одной из методологических основ рационального природопользования связа­но с тем, что данный закон и вытекающие из него следствия представля­ют собой не просто эмпирическое обобщение, но обобщение целого ряда частных экологических закономерностей. Использование закона внут­реннего динамического равновесия и его следствий позволяет оцени­вать частные, локальные воздействия на среду (фактические и возмож­ные) в контексте более общих экологических ситуаций, предвидеть воз­никновение цепных реакций в природной среде и природопользовании.

Реализация использования закона внутреннего динамического рав­новесия и его следствий в природопользовании основывается на про­гнозировании цепных реакций в окружающей среде и природопользо­вании. Ниже приведен пример цепных реакций, опубликованный Н. Ф. Реймерсом [11].

В бассейне крупной реки вырублен лес. Как известно из гидрологии, это приводит к перераспределению Поверхностного и подземного стока (более высокое половодье, низкая межень, понижение уровня грунтовых вод, исчезновение родников и усыхание малых рек, что вызывает недо­статок воды для водоснабжения и истощение рыбных ресурсов). К это­му можно добавить усиление эрозии на водоразделах и склонах, заиле­ние пойменных угодий продуктами смыва и, как общее следствие, снижение продуктивности сельского хозяйства. Естественная реакция человека на все это — регулирование стока путем создания плотин в со­четании с искусственным орошением полей. Но это приводит к увеличе­нию испарения с поверхности водохранилищ и орошаемых полей, даль­нейшей активизации эрозионных процессов и, следовательно, к заиле­нию водохранилищ, подтоплению приречных местностей и потере затопленных пойменных угодий. Далее развивается эвтрофикация заи­ливающихся водохранилищ, окончательно подрывающая их рыбохозяйственное значение. Орошение (в условиях засушливого климата) вызы­вает вторичное засоление, что заставляет увеличивать расход воды на орошение, но это лишь усиливает дефицит влаги и заводит ситуацию в порочный круг.

На фоне крупномасштабной цепной реакции развиваются вторич­ные. Например, вследствие вырубки леса исчезает один из видов насеко­мых-опылителей. Это делает невозможным плодоношение опыляемого растения и существование новых поколений растения, размножающего­ся только семенами. Так лишается основания целая трофическая цепь, т.е. происходит обеднение фауны, сокращается поступление органики в почву, что влечет за собой снижение ее плодородия и ухудшение усло­вий существования растений.

Закон внутреннего динамического равновесия экосистем - одно из узловых положений в природопользовании. Пока изменения среды сла­бы и происходят на относительно небольшой площади, они или ограни­чиваются конкретным местом, или «гаснут», «растворяются» при пере­даче по цепочке иерархии геосистем. Но, как только перемены достига­ют существенных значений для крупной экосистемы, они приводят к существенным сдвигам по всей биосфере. Будучи относительно необра­тимыми (третье следствие), они оказываются и трудно нейтрализуемы­ми. Наличие или отсутствие сдвига регламентируется правилами 1 % или 10% (см. ниже).

Сдвигая динамическое равновесие ценой больших вложений энер­гии (например, распашка), люди нарушают соотношение экологических компонентов, достигая желаемых изменений. Если эти сдвиги «гаснут» в иерархии экосистем и не вызывают термодинамического разлада, результат благоприятен. Однако излишние вложения энергии и возни­кающий в результате вещественно-энергетический разлад ведут к сни­жению природно-ресурсного потенциала территории, по четвертому следствию: «Чем больше пустынь мы превратим в цветущие сады, тем больше цветущих садов мы превратим в пустыни». Вместе с тем нели­нейность реакций и их цепной характер могут проявиться и при благо­приятных изменениях. Например, восстановление бывшей когда-то лесистости в лесостепной и степной зоне, где оно было проведено гра­мотно и посадки прижились, улучшает водный режим, повышает влаж­ность воздуха, уменьшает скорость ветра, так что результаты превосхо­дят вложения.

Закон внутреннего динамического равновесия тесно связан со мно­гими другими экологическими обобщениями. Важным дополнением к нему является так называемый закон «все или ничего» X. Боулича: подпороговые раздражения не вызывают нервного импульса в возбуждае­мых тканях («ничего»), а пороговые воздействия или их суммация со­здают условия для формирования максимального ответа. Закон был сформулирован как физиологический, но оказался более широким по сфере действия, по охвату отдельных организмов, популяций и целых экосистем разного ранга: слабые воздействия могут не вызвать у при­родной системы ответных реакций, пока, накопившись, они не приве­дут к развитию бурного динамического процесса.

Правило одного процента: изменение энергетики природной систе­мы в пределах 1% (в пределах от десятых % до нескольких %) выводит систему из равновесного существования, а затем разрушает ее (резко выраженные аномалии, засухи, степные и лесные пожары). Это прави­ло особенно важно для глобальных систем, энергетика которых не мо­жет изменяться более чем на 0,2-0,5% от поступающей солнечной ради­ации без катастрофических последствий.

Правило десяти процентов: переход энергии в трофических цепях с одного уровня на другой не превышает 10% (от 7 до 17%). Согласно эм­пирическому опыту, в популяциях, находящихся в равновесии, изъятие от 10 до 30% особей не нарушает этого состояния. В то же время в неста­ционарных, растущих популяциях возможно изъятие до 95%, что не предотвращает их дальнейшего роста, в сокращающихся популяциях изъятие до 10 % может привести к исчезновению. Наземная раститель­ность переносит изъятие до 75% биомассы, тогда как при снижении за­пасов растительного корма на 50-70 % и более консументы не могут прокормиться.

Правило обязательного заполнения экологических ниш: экологическая ниша обязательно занята определенным видом, а в случае его исчезно­вения в силу каких-либо причин — другим видом. Два вида одну и ту же экологическую нишу не занимают (принцип конкурентного исключения). Стабильное количество живого вещества обеспечивает постоянство энергетических процессов в биосфере. В последнее время уменьшается количество живого вещества под воздействием деятельности человека (вырубка лесов, усиленный вылов рыбы, последствия загрязнения). Природа не успевает восстанавливать эти потери, более того, в ряде слу­чаев процесс оказывается противоположным и приводит к опустынива­нию, саморазрушению экосистем. Это делает состояние биосферы весь­ма тревожным: она может очень резко измениться, так что в ней не оста­нется места для человека.

Закон константности (В. И. Вернадский): количество живого веще­ства биосферы (для данного геологического периода) есть константа. Этот закон представляет собой количественное выражение закона внут­реннего динамического равновесия для масштаба всей биосферы Зем­ли. Суммарная биологическая продуктивность и биомасса в масштабе планеты определяются количеством солнечной энергии, которое живое вещество способно ассимилировать, а энергетика биосферы, в свою оче­редь, лимитируется глобальным радиационным балансом. Последний зависит от притока лучистой энергии и прозрачности атмосферы Зем­ли, в том числе в разных спектральных диапазонах. Изменения глобаль­ных геофизических и геохимических параметров, влиявшие на глобаль­ный климат, находили отражение в смене геологических периодов, вы­деляемых по сменам состава флоры и фауны (рассматривается в курсе палеогеографии). Согласно закону константности, любое изменение ко­личества живого вещества в одном регионе неизбежно ведет за собой такое же по масштабам, но с противоположным знаком изменение в дру­гом регионе, поэтому четвертое следствие закона внутреннего динами­ческого равновесия («правило тришкина кафтана») проистекает из за­кона константности.

Принцип преломления действующего фактора: внешние воздействия на экосистему, как правило, проявляются не прямо, а опосредуются ме­ханизмами функционирования самой системы и могут быть ослаблены буферными свойствами системы или усилены природными цепными реакциями. Например, поступающие в атмосферу загрязняющие веще­ства частично выводятся в результате процессов самоочищения, частич­но вступают в реакции, приводящие к усилению их воздействия (кис­лотные дожди, фотохимический смог). Данный принцип не распрост­раняется на мгновенно действующие факторы.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: