Экологические системы

КУРСОВАЯ РАБОТА

по предмету Экология

Тема : «Экологические системы»

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1.Общие свойства систем

2. Главные законы экологии

3. Основные объекты экологии

4. Системные связи в экологии

5. Модель экосферы

Заключение

ВВЕДЕНИЕ

Изучение экологии и современных экологических проблем основано на целостном рассмотрении чрезвычайно сложных систем, на принципе холизма (от греч. холос - целое). В биосфере каждое событие - это одновременно и причина возникновения других событий. Вся живая природа представляет собой единую сеть вещественных, энергетических и информационных взаимодействий, организованных в виде замкнутых авторегуляторных циклов. В недрах этой системы сравнительно недавно возникла и стремительно разрослась техносфера - порождение человеческой цивилизации. Техносфера нарушила замкнутость природных круговоротов. Люди разомкнули круг жизни в биосфере, создав бесчисленные циклы и линейные цепи искусственных событий. В результате назрели главные современные проблемы: нарушение окружающей природной среды превысило предел выносливости биосферы, и человек оказался в ловушке противоречий между своей биологической сущностью и нарастающим отчуждением от природы.

Понятие системы лежит в основе экологии. Экологическая система - это главный объект экологии. Согласно общей теории систем под системой понимается некая мыслимая или реальная совокупность частей (элементов) со связями (взаимодействиями) между ними.

1. ОБЩИЕ СВОЙСТВА СИСТЕМ

1. Свойства системы невозможно понять лишь на основании свойств ее частей. Решающее значение имеет именно связь или взаимодействие между частями системы. По отдельным деталям машины перед сборкой нельзя судить о ее действии. Изучая по отдельности некоторые формы грибов и водорослей, нельзя предсказать существование их симбиоза в виде лишайника. Независимое рассмотрение законов человеческого общества и законов биоэкологии не позволяет судить о характере взаимоотношений человека и живой природы. Степень несводимости свойств системы к свойствам отдельных элементов, из которых она состоит, определяет эмерджентность системы.

Каждая система имеет определенную структуру. Она не может состоять из абсолютно идентичных элементов; для любой системы справедлив принцип необходимого разнообразия элементов. Нижний предел разнообразия - не менее двух элементов (болт и гайка, белок и нуклеиновая кислота, «он» и «она»), верхний - бесконечность. Разнообразие зависит от числа разных элементов, составляющих систему, и может быть измерено. В экологии оно обычно оценивается по показателю К.Шеннона:

(1.1)

где V - индекс разнообразия,

p_i - нормированная относительная численность i-го вида организмов в совокупности п видов (p_i = 1).

Выделение системы делит ее мир на две части - саму систему и ее среду. При этом сила связей элементов внутри системы больше, чем с элементами среды. По характеру связей, в частности, по типу обмена веществом и/или энергией со средой в принципе мыслимы:

изолированные системы (никакой обмен не возможен);

замкнутые системы (невозможен обмен веществом, но обмен энергией возможен);

открытые системы (возможен обмен и веществом, и энергией). В природе реально существуют только открытые системы. Системы, между внутренними элементами которых и элементами среды осуществляются переносы вещества, энергии и информации, носят название динамических систем. Любая живая система - от вируса до биосферы - представляет собой открытую динамическую систему.

Преобладание внутренних взаимодействий в динамической системе над внешними определяет ее устойчивость, способность к самоподдержанию. Если внешние силы, действующие на машину, оказываются больше сил механической связи между частями машины, она разрушается. Подобно этому внешнее воздействие на биологическую систему, превосходящее силу ее внутренних связей и способность к адаптации, приводит к необратимым изменениям и гибели системы. Устойчивость динамической системы поддерживается непрерывно выполняемой ею внешней циклической работой («принцип велосипеда»).

Действие системы во времени называют поведением системы. Изменение поведения под влиянием внешних условий обозначают как реакцию системы, а более или менее стойкие изменения реакций системы - как ее приспособление, или адаптацию. Адаптивные изменения структуры и связей системы во времени рассматривают как ее развитие, или эволюцию. Возникновение и существование всех материальных систем обусловлено эволюцией. Самоподдерживающиеся динамические системы эволюционируют в сторону усложнения организации и возникновения системной иерархии - образования подсистем в структуре системы. При этом наблюдается определенная последовательность становления эмерджентных свойств (качеств) системы - устойчивости, управляемости и самоорганизации. Эволюция состоит из последовательного закрепления таких адаптации, при которых проток энергии через систему и ее потенциальная эффективность увеличиваются.

С возрастанием иерархического уровня системы возрастает и сложность ее структуры и поведения. Сложность системы Яд определяется числом п связей между ее элементами:

Hn = lgn (1.2)

Обычно системы, имеющие до тысячи связей (0 < H_n < 3), относятся к простым; до миллиона связей (3 < H_n < 6) - к сложным; свыше миллиона (H_n > 6) - к очень сложным. Все реальные природные биосистемы очень сложны.

Другой критерий сложности связан с характером поведения системы. Если система способна к акту решения, т.е. к выбору альтернатив поведения (в том числе и в результате случайного изменения), то такая решающая система считается сложной. Следствием увеличения сложности систем в ходе их эволюции является ускорение эволюции, все более быстрое прохождение ее стадий, равноценных по качественным сдвигам.

Важной особенностью эволюции сложных систем является неравномерность, отсутствие монотонности. Периоды постепенного накопления незначительных изменений иногда прерываются резкими качественными скачками, существенно меняющими свойства системы. Обычно они связаны с так называемыми точками бифуркации - раздвоением, расщеплением прежнего пути эволюции. От выбора того или иного направления развития в точке бифуркации очень многое зависит, вплоть до появления и процветания нового мира веществ, организмов, социумов или, наоборот, гибели системы. Даже для решающих систем результат выбора часто непредсказуем, а сам выбор в точке бифуркации может быть обусловлен случайным импульсом.

Любая реальная система может быть представлена в виде некоторого материального подобия или знакового образа, называемого соответственно аналоговой или знаковой моделью системы. Моделирование неизбежно сопровождается некоторым упрощением и формализацией взаимосвязей в системе. Эта формализация может быть осуществлена в виде логических (причинно-следственных) и/или математических (функциональных) отношений.

2. ГЛАВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭКОЛОГИИ

Современная экология располагает обширной аксиоматикой, относящейся ко всем уровням организации природных систем. Некоторые, достаточно общие постулаты, теоремы, правила заимствованы из смежных дисциплин и опираются на фундаментальные законы естествознания. Таковы начала термодинамики, законы сохранения вещества и энергии, закон минимума диссипации (рассеивания) энергии Л. Онсагера - И. Пригожина и др. Среди них есть несколько принципов, важных для понимания поведения экологических систем, их способности к самоподдержанию и авторегуляции.

Закон больших чисел: совокупное действие большого числа случайных факторов приводит, при некоторых общих условиях, к результату, почти не зависящему от случая, т.е. имеющему системный характер. Случайное, стохастическое поведение большого числа молекул в некотором объеме газа обусловливает вполне определенные значения температуры и давления. Мириады бактерий в почве, воде, в телах растений и животных создают особую, относительно стабильную микробиологическую среду, необходимую для нормального существования всего живого. Сочетание большого числа случайных актов спроса и предложения формирует относительно постоянный товарооборот и ценообразование свободного рынка.

Принцип Ле Шателье - Брауна - при, внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении, при котором эффект внешнего воздействия уменьшается. Разработанный первоначально для условий химического равновесия, этот принцип стал применяться для описания поведения самых различных самоподдерживающихся систем. На биологическом уровне он реализуется в виде способности экологических систем к авторегуляции. В биосфере механизм осуществления этого принципа основывается на функционировании всей совокупности живых организмов и служит главным регулятором общеземных процессов.

В мире действует закон всеобщей связи вещей и явлений в природе ив обществе. Он связан с законом физико-химического единства живого вещества, законом развития системы за счет окружающей ее среды и законом постоянства количества живого вещества, сформулированных В.И.Вернадским: любая система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды; изолированное саморазвитие невозможно. Значительное увеличение числа каких-либо организмов за относительно короткий промежуток времени может происходить только за счет уменьшения числа других организмов. Это правило распространяется и на число видов организмов. В мире живых существ тотальность связей проявляется особенно ярко, потому что при материальном единстве жизни живые системы характеризуются наиболее разнообразными, разветвленными и интенсивными взаимопереходами вещества, энергии и информации. Они образуют экологические сети взаимосвязей. Богатство связей относится не только к локальным экосистемам. Глобальные круговороты веществ, ветры, океанские течения, реки, трансконтинентальные и трансокеанические миграции птиц и рыб, переносы семян и спор, деятельность человека и влияние антропогенных факторов - все это в той или иной степени связывает пространственно удаленные природные комплексы и придает биосфере признаки единой коммуникативной системы.

Густая, динамичная сеть связей и зависимостей характерна и для человеческого общества. По сравнению с природой она многократно обогащена за счет потоков информации. Существует много примеров многоступенчатого опосредования и усиления частных изменений в технологических процессах, в производстве. В экономике все переплетено, любая оценка зависит от других экономических оценок и в свою очередь оказывает влияние на них. Не следует представлять себе эти закономерности так, будто все связано со всем отдельно в природе и отдельно в обществе, в экономике. На самом деле и природа, и общество находятся в одной сети системных взаимодействий.

Существуют важные для экологии следствия всеобщей связи, закона динамического равновесия и принципа Ле Шателье - Брауна.

Закон цепных реакций. Любое частное изменение в системе неизбежно приводит к развитию цепных реакций, идущих в сторону нейтрализации произведенного изменения или формирования новых взаимосвязей и новой системной иерархии. Поскольку взаимодействие между компонентами системы при их изменении, как правило, существенно нелинейно, то слабое изменение одного из параметров системы может вызвать сильные отклонения других параметров или привести к изменению всей системы в целом.

Закон оптимальности. Любая система функционирует с наибольшей эффективностью в некоторых характерных для нее пространственно-временных пределах.

Правило максимального «давления жизни». Вместе с этим в живой природе действует правило максимального «давления жизни»: организмы размножаются с интенсивностью, обеспечивающей максимально возможное их число. Однако давление жизни ограничено емкостью среды, межвидовыми взаимоотношениями, взаимоприспособленностью различных групп организмов. Эту закономерность иногда обозначают как закон сопротивления среды жизни, или закон ограниченного роста Ч.Дарвина. Дарвину принадлежит также экологическая аксиома адаптированности: каждый биологический вид адаптирован к строго определенной, специфичной для него совокупности условий существования, которая позднее получила название экологической ниши. Очевидна связь этого положения с законом оптимальности.

Законы экодинамики. Помимо константности количества живого вещества в живой природе наблюдается постоянное сохранение вещественной, энергетической и информационной структуры, хотя она и несколько изменяется в ходе эволюции. Эти свойства Ю. Голдсмит (1981) обозначил как законы экодинамики. Первый из них - закон сохранения структуры биосферы, второй - закон стремления к климаксу, т.е. к достижению экологической зрелости и равновесности экосистем.

Существуют и другие, более частные системные обобщения в экологии. Во многих руководствах часто цитируют аксиомы-поговорки известного американского ученого Б. Коммонера (1974), названные автором «законами экологии»:

«все связано со всем»,

«все должно куда-то деваться»,

«природа знает лучше»,

«ничто не дается даром».

Хотя они больше относятся к основам природопользования, в них находят отражение некоторые важные постулаты экологии.

3. ОСНОВНЫЕ ОБЪЕКТЫ ЭКОЛОГИИ

Обычно выделяют шесть уровней организации живой материи, образующих иерархию: молекулярный, клеточный, организменный, популяционный (популяционно-видовой), экосистемный, биосферный.

Основные свойства живых систем - структурная организация, способность к самовоспроизведению и самосборке, обмен веществ и энергии, раздражимость, поддержание постоянства внутренней среды, способность к адаптации и др. - реализуются уже на клеточном уровне. Однако полнота всех естественных проявлений жизни представлена только на двух последних - экосистемных уровнях (или даже только на биосферном), так как ни одна клетка, ни один организм, ни один вид, ни одна экосистема не могут существовать без множества других клеток, организмов, видов, экосистем и создаваемых ими условий существования.

Организменный уровень. На низшей ступени иерархии объектов экологии находится организм (особь, индивидуум) в качестве представителя биологического вида - генетически, морфологически и экологически однородной группы живых существ, обособленной от других видов по этим же критериям. Отдельные организмы - представители разных видов используются в экспериментальных сравнительно-экологических исследованиях. При этом выявляют видовые особенности поведения и физиологических реакций организма при воздействии различных факторов среды, а на основе этих данных - видовые экологические потребности организма. Например, оптимальные значения и допустимые минимумы и максимумы температуры, влажности, освещенности, концентрации веществ в среде, взаимодействий с другими организмами и т.п.

Популяционный уровень. Каждый биологический вид в природе представлен почти всегда несколькими, часто многими популяциями.

Популяция (от лат. populus - население) - это совокупность особей одного вида, длительно населяющих определенное пространство, имеющих общий генофонд^** Генофонд - совокупность генотипов всех особей популяции.

Генотип - совокупность всех генов организма.

Ген - элементарная единица наследственности. возможность свободно скрещиваться и в той или иной степени изолированных от других популяций этого вида. Популяция - элементарная форма существования вида в природе. Популяции эволюционируют и являются единицами эволюции видов и видообразования. Обладая всеми признаками биологической системы, популяция, тем не менее, представляет собой совокупность организмов, как бы выделенную из природной системы, так как в природе особи одного вида всегда сожительствуют с особями других видов. Только в искусственных условиях или в специальном эксперименте можно иметь дело с «чистой» популяцией, например, культурой микроорганизмов, посевом растений, приплодом животных и т.п.

Экосисгемный уровень. Основной объект экологии - экологическая система, или экосистема - пространственно определенная совокупность организмов разных видов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическими и информационными взаимодействиями.

Термин «экосистема» введен в экологию английским ботаником А.Тенсли (1935). Понятие экосистемы не огранчивается какими-то признаками ранга, размера, сложности или происхождения. Поэтому оно приложимо как к относительно простым искусственным (аквариум, теплица, пшеничное поле, обитаемый космический корабль), так и к сложным естественным комплексам организмов и среды их обитания (озеро, лес, степь, море, океан, биосфера). Различают водные и наземные экосистемы. Все они образуют на поверхности планеты пеструю мозаику. При этом в одной природной зоне встречается множество сходных экосистем - или слитых в однородные комплексы или разделенных другими экосистемами. Например, участки лиственных лесов, перемежающиеся хвойными лесами, или болота среди лесов и т.п.

В каждой локальной наземной экосистеме есть абиотический компонент - биотоп, или экотоп - пространство, участок с одинаковыми ландшафтными, климатическими, почвенными условиями, и биотический компонент - сообщество, или биоценоз - совокупность всех живых организмов, населяющих данный биотоп. Биотоп является общим местообитанием для всех членов сообщества. Биоценозы состоят из представителей многих видов растений, животных и микроорганизмов. Практически каждый вид в биоценозе представлен многими особями разного пола и возраста. Они образуют популяцию или часть популяции данного вида в экосистеме.

Члены сообщества так тесно взаимодействуют со средой обитания, что биоценоз часто трудно рассматривать отдельно от биотопа. Например, участок земли - это не просто «место», но и множество почвенных организмов и продуктов жизнедеятельности растений и животных. Поэтому их объединяют под названием биогеоценоза: «биотоп + биоценоз = биогеоценоз». Понятие биогеоценоза ввел В.Н.Сукачев (1942).

Биогеоценоз - это элементарная наземная экосистема, главная форма существования природных экосистем. Во всех наземных экосистемах масса растений всегда во много раз больше массы других организмов. Поэтому для большинства биогеоценозов определяющей характеристикой является определенный тип растительного покрова, по которому судят о принадлежности однородных биогеоценозов к данному экологическому сообществу (сообщества березового леса, мангровой заросли, ковыльной степи, сфагнового болота и т.п.). Совокупность сообществ определенной крупной географической области называют региональной биотой, а объединение экосистем какой-либо из природно-климатических зон (тундры, тайги, степей, пустынь, тропических лесов и т.п.) - биомом.

Биосферный уровень. На высшей ступени иерархии биосистем находится глобальная экосистема - биосфера - совокупность всех живых организмов и их экологической среды в пределах планеты.

Термин «биосфера» впервые применил австрийский геолог Э.Зюсс (1873), определяя им пространство органической жизни на Земле. И впоследствии биосферу определяли аналогично биотопу - как пространство на планете, заполненное жизнью. Или аналогично биоценозу - как глобальное сообщество организмов.

Выдающаяся роль в развитии учения о биосфере принадлежит В.И.Вернадскому. В своем классическом труде «Биосфера» (1926) он по существу переоткрыл это понятие, придав ему смысл и статус глобальной системы, в которой все живые организмы так взаимодействуют между собой и с окружающей средой, что оказывают определяющее влияние на планетарные геохимические и энергетические превращения.

Вернадский подошел к такому пониманию со стороны геохимии. По его представлениям биосферу слагают три категории субстанций:

живое вещество - совокупность всех живых организмов - микроорганизмов, растений и животных, их активная биомасса; живое вещество противопоставлено неживому, косному веществу - горным породам, минералам, никак не связанным с деятельностью живых организмов (изверженные и метаморфические породы земной коры, магматические руды, продукты их абиогенного преобразования и т.п.);

биогенное вещество - мертвая органика, все формы детрита, торф, уголь, нефть и газ биогенного происхождения, а также осадочные карбонаты, известняки и т.п.;

биокосное вещество - смеси живого вещества и биогенных веществ с минеральными породами небиогенного происхождения (почва, илы, природные воды, газо- и нефтеносные сланцы, битуминозные пески, часть осадочных пород).

Вернадский рассматривал земную кору как продукт деятельности прошлых биосфер.

Современные теоретические подходы вносят поправку в представление о структуре и функциях биосферы. Значительная часть биогенных и биокосных веществ, заключенных в глубоких недрах (уголь, нефть, нефтеносные сланцы и др.), фактически выведена из текущего естественного биотического круговорота, хотя некоторое их количество искусственно вносится в оборот человеком. Поэтому, строго говоря, они не относятся к биосфере как таковой; ей присущи только те вещества и процессы, те элементы и характеристики, которые находятся под контролем современной глобальной биоты, но не компоненты природы, сложившиеся и захороненные в геологическом прошлом (Горшков, 1993).

Таким образом, к современной биосфере относится вся совокупность живых организмов (живое вещество) и все вещества литосферы, гидросферы и атмосферы, которые находятся под контролем потребления, трансформации и продуцирования живыми организмами (т.е. современное «биогенное вещество»).

Такое понимание совпадает с введенным ранее и ныне иногда применяемым понятием экосферы - планетарной совокупности современных экосистем.

Возникает вопрос, следует ли включать в экосферу человека со всем его хозяйством? Автор термина Л.Кол (Cole, 1958) обозначил им совокупность всего живого на Земле вместе с его окружением и ресурсами. Но ведь именно человечество и продукты его производства и потребления оказывают серьезное влияние на процессы биосферы, вмешиваются в природный круговорот, изменяя и нарушая его сбалансированность и гармоничность. При этом в пределах биосферы сегодня оказываются и искусственно навязываются ей химически чуждые вещества, которые никогда не участвовали в естественном биосферном круговороте или были «отходами» прошлых биосфер, захороненными навсегда или на сроки геологических масштабов. Например, свинец, ртуть, уран, каменный уголь, нефть, многие синтетические материалы и т.п.

В. И. Вернадский считал, что человечество входит в систему биосферы как ее составная часть: «Человечество как живое вещество непрерывно связано с материально-энергетическими процессами определенной геологической оболочки Земли - с ее биосферой. Оно не может физически быть от нее независимым ни на одну минуту». Но «живое вещество» человечества неотделимо и от человеческого материального производства, и от созданной человеком технической цивилизации.

Сегодня Земля содержит многослойную насыщенную сферу искусственно созданных объектов. Планета окружена простирающимся на миллиарды километров ореолом модулированных радиоволн. В околоземном космическом пространстве по разным орбитам движутся тысячи действующих и отработавших искусственных спутников. В атмосфере постоянно перемещаются тысячи летательных аппаратов. На поверхности суши простираются пространства технически преобразованных ландшафтов, вкраплено огромное число населенных пунктов, сооружений, дорог с искусственным покрытием и других коммуникаций. Несметное количество различных топок, реакторов, машин, механизмов, преобразователей энергии заполняют планетарную среду химическими, тепловыми, электромагнитными, радиационными и акустическими эмиссиями, т.е. все это излучает, испускает, шумит. В разных направлениях и с разными скоростями по суше и морям перемещаются миллионы различных транспортных средств. То тут, то там происходят большие и малые аварии, раздаются взрывы, звучат выстрелы. По земле разбросаны многочисленные отвалы пустой породы, терриконы, свалки, развалины. В земле скрыты горные выработки, шахты, рудники, скважины, сети кабелей и трубопроводов, древние «культурные слои» и захоронения. Океан тоже содержит множество искусственных предметов - от плавающего мусора до гигантских танкеров, авианосцев, подводных лодок. Водные пространства пересекают трассы морских путей; дно океана усеяно останками кораблей.

Для обозначения всего этого наиболее подходит термин техносфера - глобальная совокупность орудий, объектов и продуктов человеческого производства. В планетарном масштабе техносфера имеет общую среду с биосферой и множеством процессов взаимодействует с ней. Вероятно, можно дать и общее название системе этого взаимодействия. Перебрав возможные варианты, мы предпочли новую трактовку понятия экосферы, имея в виду именно современное ее состояние, которое в большой мере определяется вмешательством человеческой деятельности. Используя этот ранее заимствовонный термин, мы теперь обозначаем им единую глобальную систему взаимодействия современной биосферы и техносферы. Недаром Н.Ф.Реймерс (1994) обозначил глобальную экологию как экосферологию: «глобальная экология выходит за рамки биосферы, изучая всю экосферу планеты как космического тела».

Итак, экосфера = современная биосфера + техносфера. В таком понимании экосфера предстает как арена взаимодействий человека и природы, на которой сосредоточены все современные экологические проблемы и коллизии. Экосфера становится главным объектом современной «большой» экологии.

4. СИСТЕМНЫЕ СВЯЗИ В ЭКОЛОГИИ

Среди форм взаимоотношений между организмами разных видов в природе главное место занимают взаимодействия, которые обобщенно могут быть обозначены как «пища - потребитель пищи», или «ресурс - эксплуататор». Сюда относятся такие явления, как отношения хищника и его жертвы, поедание травы травоядным животным, паразитизм и т.п. (см. § 4.3). Взаимодействия в каждой из таких пар можно представить в виде контура прямых и обратных связей. Примером могут быть взаимовлияния численности особей в популяциях хищника (X) и его жертвы (Ж):

Они связаны и положительной, и отрицательной причинными зависимостями. Знаки (+, -) в данном случае обозначают не качественный результат связи, не «хорошо» или «плохо», а однонаправленность (+) или противонаправленность (-) изменений. Чем больше численность популяции жертвы, тем больше пищи для хищников и численность их возрастает (положительная прямая связь, +). Но чем больше хищников, тем больше они уничтожают жертв и численность жертв уменьшается (отрицательная обратная связь, -). Если речь идет об одном виде хищника и одном виде жертвы, хищник не в состоянии уничтожить всех жертв, поскольку при снижении плотности жертв затраты энергии на их поиск и охоту начинают превышать энергетическую ценность пойманной жертвы. Большая часть жертв обычно избегает встречи с хищником.

В целом такой контур имеет отрицательный знак (-): «плюс и минус дают минус». Это означает, что система способна сама себя поддерживать, хотя и колеблется около какого-то более или менее стабильного уровня. Можно сказать, что в какой-то период количество жертв уменьшилось потому, что в предыдущем периоде оно увеличилось. Каждый из связанных таким образом членов системы становится причиной своего собственного поведения во времени.

Рассмотрим поведение более сложного контура (рис. 4.1).

В экологической системе замкнутого водоема можно выделить такие компоненты: растворенные в воде минеральные питательные вещества (обозначим их как М); потребляющие их водоросли (В); животные, поедающие водоросли и других животных (Ж); отмершие остатки организмов и продукты их жизнедеятельности - детрит (Д) и разлагающие детрит до минеральных веществ бактерии (Б).

Рис. 4.1. Схема взаимодействий (причинных связей) между основными компонентами экосистемы водоема

М - минеральные питательные вещества, В - водоросли, Ж - животные,

Д - детрит, Б - бактерии

Допустим, что под влиянием внешнего фактора, например, благоприятной температуры или попадания в водоем органики началось усиленное развитие водорослей - фитопланктона. Это приводит к уменьшению запаса минеральных веществ и росту количества животных - от зоопланктона до рыб. Вызванное этим повышенное выедание фитопланктона приводит через какое-то время к ограничению размножения животных. Временное повышение биомассы гидробионтов ведет к нарастанию массы детрита. Будучи пищей для бактерий, детрит обусловливает их усиленное размножение и преобразуется ими в минеральные продукты. Цикл замыкается. Контур в целом имеет отрицательный знак. Система способна к самоподдержанию. На подобных механизмах основаны процессы самоочищения водоемов.

Но если в водоем попадает слишком большое количество биогенных элементов (например, систематически сбрасываются стоки завода минеральных удобрений), происходит нарушение цикла. Начинается бурный рост водорослей, толщина их слоя резко увеличивается, снижается поступление света в нижние слои водоема, замедляются процессы фотосинтеза. Одновременно усиливается гниение большой массы отмерших клеток. На их разложение уходит весь растворенный в воде кислород и тогда погибают не только животные, но и разлагающие детрит бактерии. Цепь разрывается. Если вредные для водоема стоки не прекратить, то природный механизм самоочищения придет в упадок.

Необходимо подчеркнуть исключительное значение отрицательных обратных связей для любых систем, в которых осуществляется регуляция. Отрицательная обратная связь является главным элементом любого регулятора в технике. На принципе отрицательной обратной связи построены все механизмы регуляции физиологических функций в любом организме и поддержание постоянства внутренней среды и внутренних взаимосвязей, т.е. гомеостаза любой авторегуляторной системы. Все экологические системы включают контуры отрицательных обратных связей.

В отличие от них контуры положительных обратных связей не только не способствуют регуляции, а наоборот, генерируют дестабилизацию систем, приводя их либо к угнетению и гибели, либо к ускоряющемуся росту, к «разгону» системы, за которым, как правило, следует срыв и разрушение системы.

Так, в любом растительном сообществе плодородие почвы, урожай растений, количество отмерших остатков растений - детрита и количество образующегося из него гумуса образуют контур положительных связей. Система находится в неустойчивом равновесии, так как достаточно изъятия части урожая растений без последующего возврата в почву необходимого количества питательных веществ, чтобы начался процесс деградации почвы и снижения продуктивности растений.

На контурах положительной обратной связи основаны те механизмы современной экономики, когда рост производства поддерживается усилиями маркетинга, диктатом предложения, навязчивой рекламой, которая искусственно провоцирует новые потребности и спрос. Ярким примером фатальности положительной обратной связи может быть гонка вооружений, при которой увеличение количества оружия увеличивает риск поражения оружием и потребность в усилении вооруженной защиты, что ведет к новому витку производства еще более мощных вооружений. Положительные обратные связи действуют и тогда, когда человек или общество ориентируется не на подлинные объективные критерии благополучия, а на кажущиеся, на сиюминутные прихоти. В результате действительное состояние, здоровье человека или общества ухудшается. Механизм такого поведения Д.Медоуз (1992) назвал «мания» - структурой.

В сложных системах всегда сочетаются контуры обоих знаков. Необходимо подчеркнуть, что поведение сложных авторегуляторных систем в большей степени определяется наличием контуров обратной связи, чем силой каждой отдельной связи. Чтобы изменить поведение системы, недостаточно изменить силу связи, гораздо важнее добавить или изъять какие-то кольца связей, которые могли бы изменить знак контура системы.

5. МОДЕЛЬ ЭКОСФЕРЫ

Перейдем теперь к причинным связям, описывающим взаимоотношения человека и природы. Задача чрезвычайно сложна и, вместе с тем, при некоторых условиях и оговорках может быть сведена к очень простой системной модели, в которой использованы описанные приемы установления причинных связей. Подойдем к ней в два приема.

Сначала возьмем «простой» контур взаимодействий «природа - человек»:

+

П Ч (-)

-

При условии равновесности он был бы не отличим от пары «жертва - хищник». Будучи системой с отрицательной обратной связью (-), она должна быть и самоподдерживающейся, авторегуляторной. В том смысле, что человек (эксплуататор), пользуясь природой как ресурсом, неизбежно ограничивает и тем самым угнетает сам себя через посредство угнетения природы. Это важное заключение, но вряд ли можно ограничиться таким уровнем анализа. В действительности в настоящее время эта система не равновесна и не устойчива: сильная отрицательная связь Ч -------_--- П не уравновешивается слабой положительной связью Ч ₊-------- П.

Человек ведет себя так, как будто почти не испытывает ограничений и сопротивления со стороны природы.

Рис. 5.1. Схема взаимосвязей между главными компонентами экосферы

Теперь развернем компоненты системы следующим образом (рис. 5.1). «Природа» представлена современной биосферой и подразделена на биоту биосферы - совокупность всех живых организмов биосферы и на их среду, включая среду человека. Выделение среды в отдельный блок, как бы равноправный с другими элементами, в данном случае сделано лишь для удобства формального рассмотрения. В действительности все элементы системы находятся в одной общей среде. Подсистема «человек» выделена как техносфера и подразделена на собственно человека, людей, человечество и на человеческое хозяйство - экономику, производство, технику.

Техника, в ее широком понимании, - это совокупность средств человеческой деятельности, создаваемых для осуществления процессов производства и обслуживания непроизводственных потребностей общества. Она опосредует взаимодействия человека и природы. В ходе технического освоения природы человек использует все более изощренные технологии - совокупность методов, применяемых при изготовлении продукции. Подобно тому, как биота биосферы представляет собой совокупность биоценозов, так и современное человеческое хозяйство можно представить как совокупность техноценозов - созданных человеком технизированных комплексов. Современное общество преобразует природу посредством техники в масштабах, которые обусловили формирование техносферы.

Может показаться, что категория экономики в этом блоке избыточна, поскольку в нем представлены производство и техника. В том смысле, что природе как бы «нет дела» до нематериальной части экономики - денег, цен, кредитов, ренты, прибыли и т.п. Непосредственное воздействие на природу оказывают именно материальные техногенные потоки. Но чтобы понять причины, источники, механизмы техногенного давления на природу, необходимо рассматривать все человеческое хозяйство в контексте взаимодействия экономики человека и экономики природы.

Контур техносферы имеет положительный знак, поскольку взаимозависимость между людьми и их хозяйством, техникой положительна: человечество растет и наращивает производство ресурсов для своего дальнейшего роста, т.е. прямая и обратная связи положительны. На протяжении всей новой истории и особенно в XX в. эта система находилась и продолжает находиться в состоянии экспоненциального роста, который лишь частично сдерживается дефицитом ресурсов и лимитирующими факторами среды. Контур биосферы имеет отрицательный знак, так как взаимодействия между организмами и средой в природе в целом превосходно уравновешены: биота биосферы обладает средообразующей функцией и точно контролирует свойства собственной среды (связь +), а условия среды (в основном ограниченность количества вещества, которое может быть использовано биотой) лимитируют увеличение массы биоты (связь -). Взаимоотношения между человеческим хозяйством, техникой и биотой биосферы образуют контур отрицательной обратной связи: биота, включая продуцентов сельского хозяйства, является важным ресурсом производства и потребления (связь +), а изъятие части этого ресурса обедняет и угнетает биоту (связь -). Влияние производства и техники на биосферу опосредовано также их общей средой, причем здесь не уравновешены сильная отрицательная и слабая положительная обратная связь. Воздействие людей на биоту и среду практически полностью опосредовано производством и техникой. Прямое взаимодействие людей и среды характеризуется практически односторонней положительной обратной связью. Наконец, в связи «биота - люди» сочетаются относительно слабые как положительные влияния биоты (не опосредованная производством и техникой часть ресурсов потребления, а также информационное значение биоты для науки и искусства), так и негативные влияния (природные яды, возбудители и переносчики заболеваний).

Как уже отмечено, в целом система экосферы обладает свойствами контура с отрицательной обратной связью и должна быть способной к авторегуляции. Благополучие человечества обусловлено двумя сильными положительными связями: одной - со стороны экономики, другой - со стороны экологической среды. Сами люди отдают явное предпочтение первой из них - получению произведенных ценностей. Поскольку число людей и их потребности растут, увеличиваются и масштабы экономики. Это увеличение до сих пор происходит намного быстрее, чем растет коэффициент полезного действия (кпд) экономики, т.е. отношение количества произведенной пользы (ценностей) к количеству использованных для этого веществ и энергии. Следовательно, рост экономики сопровождается и ростом его вредного действия - увеличением негативного техногенного давления на природу и окружающую среду, а через них и на человека. Способность всей системы к авторегуляции и стабилизации основана на объективных законах природы. Она отвечает свойствам природных систем, обеспечивает их устойчивость. Но эта способность не устраивает человека, так как он не любит ограничивать себя. Он обрел небывалую для живых существ потребительскую мощь и привык «покорять природу», брать от нее все больше и больше, не считаясь с ее сопротивлением и ответными ударами. Поэтому сейчас вся система крайне неравновесна. Но это временное состояние. Оно не может продолжаться сколь угодно долго.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сотни миллионов лет существовала устойчивая биосфера, и наши предки сравнительно недавно естественным путем вошли в ее сообщество. Два миллиона лет они жили в согласии с природой, потребляя только то, что им было выделено по естественному закону. Но постепенно они создали неустойчивую, быстро растущую техносферу. И всего 2 столетия - миг по масштабам эволюции - она наращивает конкуренцию с породившей ее природной системой, угнетая другие виды, захватывая чужие ресурсы, осуществляя глобальный экоцид, т.е. уничтожение экологических систем. Видимо, в пределах такого же масштаба времени по закону обратной связи вся система экосферы должна стабилизироваться, стать равновесной. Это неизбежно. Вопрос лишь в том, сохранится ли при этом вся структура, подобная нынешней, или останутся только мертвые «памятники» техносферы и измененная биосфера - ограбленная и изуродованная человеком природа планеты, которой понадобятся миллионы лет, чтобы залечить раны, но которая уже никогда не станет прежней.

Социальная психология отвергает такой вариант - путь апокалипсиса, гибели человечества. Но тогда возникает второй вопрос: каким должно стать стабилизированное и уравновешенное сочетание биосферы и техносферы и какое участие в этой стабилизации должен принять человек - самый активный элемент системы? Понимают ли люди и согласятся ли они с тем, что стабилизация должна происходить за их счет? Ведь именно человек запустил бумеранг техногенеза и сейчас находится под его ударом, опосредованным окружающей средой. Вся система - и природа, и человечество находятся сейчас в точке бифуркации, может быть, самой драматичной в истории Земли. Необходим выбор новой, действительно разумной стратегии. Этот выбор становится важнейшей задачей человечества.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Акимова Т.А., Кузьмин A.П., Хаскин В.В. Экология. Природа - Человек - Техника: Учебник для вузов. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. - 343 с.;

2. Кулакова О. С. Шпаргалка по экологическому праву: ответы на экзаменационные билеты. - М.: Аллель, 2005. - 64 с.;

3. Николайкин Н. И. Экология: Учебник для вузов. - М.: Дрофа, 2004. - 624 с.;

4. Экология и безопасность жизнедеятельности: Учеб. пособие для вузов/ Д.А. Кривошеин, Л.А.Муравей, Н.Н. Роева и др.; Под ред. Л.А. Муравья. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2000. - 447 с.