Глава 1 Экология: предмет,основные понятия и законы

Экология — это наука, изучающая отношения организмов (особей, популяций, биоценозов и т. п.) между собой и с окружающей их неорганической природой; общие законы функционирования экосистем различного иерархического уровня; среду обитания живых существ (включая человека).

Глобальная экология изучает биосферу в целом, т. е. экологическую систему, охватывающую земной шар. К числу главных задач современной глобальной экологии относятся изучение антропогенных изменений в среде обитания и обоснование методов ее сохранения и улучшения в интересах человечества. В связи с этим важнейшее значение приобретает прогнозирование изменений экологической ситуации в будущем и на этой основе разработка на ближайшие годы и на отдаленную перспективу мероприятий, направленных на сохранение и улучшение среды обитания людей, на предотвращение нежелательных изменений биосферы.

Экология как наука сформировалась в середине XIX столетия, когда возникло понимание, что не только строение и развитие организмов, но и их взаимоотношения со средой обитания подчинены определенным закономерностям. В 1866 г. немецкий естествоиспытатель Эрнест Геккель в двухтомной монографии «Общая морфология организма» назвал экологией один из разделов биологии — науку об условиях обитания организмов в окружающей их среде. От древнегреческого oikos (дом, жилище) образовано не только наименование этой науки, но и понятие «ойкумена» (эку- мена), служащее для обозначения природы, освоенной и обжитой человеком. Ныне, когда человек осваивает космос, ойкумена вышла за пределы Земли, а экология, пусть еще не как знание, но хотя бы как термин, проникла в сознание каждого, она перестала быть отраслью одной лишь биологии, на родство с ней претендуют и география, и политэкономия, и философия, да и весь комплекс естественных и общественных наук. Более того, экология вышла за рамки научного понятия и стала предметом тревог и забот каждого государства и каждой личности.

Интерес к экологии в мире возрастал по мере внедрения в хозяйственную практику достижений научно-технической революции. В 60—70-е годы XX в. усилилась прикладная направленность экологии, связанная с изучением экосистем и биосферы в целом, а именно круговорота воды и воздуха как целого с выделением отдельных его компонентов: цепей питания; глобального загрязнения окружающей среды; системного анализа и управления как средой обитания, так и деятельностью человека.

Устойчивое функционирование биосферы как целостной системы обеспечивает условия жизни человечества как одной из составных частей глобальной экосистемы. Непонимание законов функционирования экосистем разного уровня или недостаточный их учет стали причинами современного кризисного состояния биосферы. Проблема экологической безопасности в наши дни приобрела всеобщее, в том числе и политическое, значение, став на один уровень с проблемой ядерной безопасности. Однако сложившееся представление о том, что экологические проблемы сводятся лишь к борьбе с загрязнением среды, тормозит создание глобальной системы экологической безопасности. Чтобы выйти из экологического кризиса, необходимо познать и практически использовать фундаментальные законы формирования, устойчивости и методов рациональной эксплуатации экологических систем.

Организмы, живущие в биосфере, можно изучать на уровне популяций, сообществ и экосистем.

Популяцией называют группу особей одного вида, находящихся во взаимодействии, совместно населяющих общую территорию и воспроизводящих себя в поколениях (лат. populus — народ, население). Экологическую популяцию, таким образом, можно сформулировать как население одного вида на определенной территории.

Сообщества организмов связаны теснейшими материальноэнергетическими отношениями с неорганической средой. Растения могут существовать только за счет постоянного поступления в них углекислого газа, воды, кислорода, минеральных солей.

Группировки совместно обитающих и взаимосвязанных организмов именуют биоценозами (лат. bios — жизнь и koinos — общий). Масштабы биоценозов различны: от сообществ подушек лишайников на стволах деревьев или разлагающегося пня до ландшафтов — лесов, степей, пустынь и т. п.

Биогеоценоз (экосистема) — сложный природный комплекс живых существ, взаимодействующих с неорганической средой и находящихся в материально-энергетической зависимости от нее. По своей сущности это динамическая уравновешенная система, сложившаяся в результате длительной и глубокой адаптации составных компонентов, в которой происходит круговорот веществ. Биогеоценозы — не простая совокупность живых организмов и их среды обитания, а особая, единая форма существования организмов и окружающей среды, диалектическое единство всех экологических компонентов, обусловленное взаимозависимостью и причинно-следственными связями.

Биогеоценозы земного шара образуют биогеоценотический покров, который изучает биогеоценология. Основал эту науку выдающийся русский ученый В. Н. Сукачев. Совокупность всех биогеоценозов нашей планеты составляет гигантскую экосистему — биосферу. Биогеоценозы могут формироваться на любом участке земной поверхности — на суше и на воде. Они бывают степными, болотными, луговыми и т. д. Большое значение в функционировании биосферы имеют гидробиоценозы. Участки земной поверхности, покрытые культурными растениями, называются агрофитоценозами.

В структуре любого биогеоценоза можно выделить четыре функциональных компонента: абиотическое окружение, т. е. весь комплекс неживой природы, откуда биоценоз черпает средства для существования и куда выделяет продукты обмена; комплекс автотропных организмов, обеспечивающих орга- , ническими веществами, а следовательно, и энергией все

остальные организмы, — это первичные продуценты органического вещества, ассимилирующие солнечную энергию (фототропные растения, фотосинтезирующие бактерии); комплекс гетеротропных организмов — консументов, живущих за счет питательных веществ, созданных первичными продуцентами. Консументами считаются животные и бес- хлорофильные растения; комплекс организмов, разлагающих органические соединения до минерального состояния.

Между всеми четырьмя звеньями существует закономерная связь.

Каждый живой организм или их совокупность выполняют определенную биологическую функцию, которая либо начинает какой-то процесс, либо служит его промежуточным звеном, либо завершает его. Такая согласованная и взаимосвязанная деятельность живых организмов Земли находится в самой тесной связи с окружающей средой и ее основными факторами физического, химического, биологического характера и создает сложное построение жизни в разных ее проявлениях — экологическую систему.

Основные законы экологии, обоснованные Б. Коммонером в 1971 г., кратко можно сформулировать следующим образом. Все связано со всем (всеобщая связь процессов и явлений в природе). Все должно куда-то деваться (любая природная система может развиваться только за счет использования энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды). Природа «знает» лучше (пока у нас нет абсолютно достоверной информации о механизмах и функциях природы, мы можем навредить природе, пытаясь ее улучшить). Ничто не дается даром (глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничто не может быть выиграно или потеряно, не может быть объектом всеобщего улучшения; все извлеченное в процессе человеческого труда должно быть возмещено).

Среди других законов, принципов и правил можно отметить следующие: вещество, энергия, информация и качество отдельных природных систем взаимосвязаны настолько, что любое изменение одного из этих факторов вызывает функциональные, структурные, качественные и количественные перемены всех систем и их иерархии; слабые воздействия могут и не вызывать ответных реакций природной системы, но, накопившись, они приведут к развитию бурного, непредсказуемого динамического процесса (X. Боумен); жизненные возможности лимитируются экологическими факторами, количество и качество которых близко к необ- холимому экосистеме минимуму, снижение их ведет к гибели организма или деструкции экосистемы (Ю.

~ ству (В. Г. Горшков); лимитирующим фактором процветания организма (вида) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толерантности) организма по отношению к данному фактору (В. Шелфод); любая природная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды. Абсолютно изолированное развитие невозможно.

Последний приведенный нами закон имеет важное теоретическое и практическое значение из-за основных следствий: абсолютно безотходное производство невозможно (как и создание «вечного» двигателя). Поэтому необходимы малоотходные производства с низкой ресурсоемкостью как на входе, так и на выходе (экономичность и незначительные выбросы). Идеальны циклическое производство (отходы от одних процессов служат сырьем для других) и разумное депонирование (захоронение) неминуемых остатков, нейтрализация неустраняемых энергетических отходов; любая развитая биотическая система, используя и видоизменяя среду жизни, представляет потенциальную угрозу менее организованным системам. Поэтому в биосфере невозможно повторное зарождение жизни — она будет уничтожена существующими организмами. Следовательно, воздействуя на среду обитания, человек должен нейтрализовать эти воздействия, поскольку они могут оказаться разрушительными для природы и самого человека; при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется (Ле Шателье—Браун); явление, удаленное во времени и пространстве, кажется менее существенным (в природопользовании этот принцип особенно часто становится основой неверных практических действий); неожиданное усиление болезнетворности (способности распространять инфекционные заболевания) возникает при мутации нездорового организма, введении нового болезнетворного организма в экосистему, где нет механизмов регуляции численности, поэтому для экосистемы изменяется среда жизни; виды в биоценозе приспособлены друг к другу настолько, что их сообщество составляет внутреннее устойчивое, но не единое, а взаимно увязанное системное целое (К.

Некоторые ученые считают, что подтверждением этого правила служит возникновение новых заболеваний. Так, за десять лет до выявления СПИДа (синдрома приобретенного иммунодефицита) было предсказано появление гриппоподобного вируса с высоким процентом летального исхода, поскольку, победив многие инфекционные болезни, человек высвободил экологические ниши, которые обязательно должны быть заполнены; конкурирующие в сфере использования конкретных природных систем отрасли хозяйства неминуемо наносят ущерб друг другу; и тем сильнее, чем значительнее они изменяют совместно эксплуатируемый экологический компонент или всю экологическую систему в целом; в ходе эксплуатации природных систем нельзя переходить пределы, позволяющие этим системам сохранять свойства самоподдержания (самоорганизации и саморегуляции); «жесткое», как правило техническое, управление природными процессами чревато цепными реакциями, значительная часть которых оказывается экологически, социально и экономически неприемлемыми.