Экология

Размещено на http://www.allbest.ru

ПЕНЗЕНСКИЙ ФИЛИАЛ МЕЖДУНАРОДНОГО НЕЗАВИСИМОГО

ЭКОЛОГО-ПОЛИТОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

ЭКОЛОГИЯ

Учебный курс разработан на кафедре "Экология" ПФ МНЭПУ

Автор: Арбузов В.В.

В данном электронном учебнике рассмотрены основные понятия и концепции современной экологии: теории, законы, правила, принципы и гипотезы.

Учебник предназначен в качестве учебного пособия для студентов всех специальностей, изучающих дисциплину "Экология".

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие

1. Что такое экология

2. Законы мироздания

3. Биосфера

3.1 Основные понятия о структуре биосферы

3.2 Общие закономерности организации биосферы

3.3 Живое вещество

3.4 Факторы среды

3.5 Экологические ниши

3.6 Экологические пирамиды

3.7 Биогеохимические циклы

3.8 Динамика и эволюция биосферы

4. Человек в природе и обществе

Вместо заключения

Список использованной литературы

ПРЕДИСЛОВИЕ

Проблемы экологии затрагивают весь комплекс социально-экономических, политических, культурных отношений мирового сообщества, политических течений и партий, социальных групп, производственных коллективов, частных лиц. Такая ситуация сложилась вследствие того, что в процессе возрастающих масштабов производственной деятельности происходит стремительный рост потребления природных ресурсов и уничтожение в громадных размерах фауны и флоры. Природа испытывает огромный прессинг со стороны человека по всем компонентам биосферы. В результате этого нарушается саморегуляция и самовосстановление всех природных систем, меняется качественный состав основных компонентов природного комплекса, снижается способность природы воспроизводить ресурсы и условия, необходимые для функционирования живого вещества планеты Земля и, прежде всего, самого человека.

Возникает классический вопрос “Что делать?”. Как приостановить глобальное изменение в окружающей среде, что необходимо человеку предпринять для сохранения нормального функционирования системы природа -- общество, каковы допустимые границы деформации природы, в пределах которых она способна самовосстанавливаться?

Для того, чтобы ответить на эти вопросы, у человека должно сложиться устойчивое мышление, базирующееся на знании основ законов мироздания и обеспечивающее непрерывное видение настоящей и будущей картины природно-антропогенной динамики биосферы с выявлением критических уровней и порогов, при переходе которых теряется возможность трансформации биосферы в ноосферу.

Осуществить это могут только профессионалы, обладающие высоким уровнем экологических знаний. Учебная литература, обеспечивающая современный уровень экологического образования и воспитания, в настоящее время отсутствует. Изданная в 1992 г. монография Н.Ф. Реймерса “Надежда на выживание человечества. Концептуальная экология“ и появившиеся в последнее время небольшими тиражами другие монографии и учебники не могут решить всех этих задач. В связи с этим остро назрела необходимость создания учебника или учебного пособия для студентов, изучающих дисциплину “Экология”.

Учебное пособие написано на базе курсов лекций, читаемых авторами для студентов, и методических материалов, разработанных на кафедре “Промышленная экология и безопасность” Пензенского государственгного университета и “Строительная экология и безопасность жизнедеятельности” Пензенской государственной архитектурно-строительной академии.

Авторы примут с благодарностью все замечания читателя.

экология биосфера обитание человек природа

1. ЧТО ТАКОЕ ЭКОЛОГИЯ

Экология (от греч. oikos - дом, жилище, местопребывания), возникшая как наука об отношениях живых организмов между собой и окружающей средой, долго ютилась где-то на задворках биологии и вдруг сделалась королевой наук.

Своими корнями экология уходит в естественную историю, как самостоятельная биологическая дисциплина она выделилась только с начала ХХ в. наряду с физиологией, генетикой и др. С середины пятидесятых годов ее значение и сферы приложения стали значительно расширяться, и современную экологию можно охарактеризовать как междисциплинарную область знаний, развивающуюся на стыке физики, биологии и общественных наук. Взаимоотношения экологии с другими биологическими науками представлены на рис.1, где показано, что живые организмы можно изучать на разных уровнях организации. Область экологии соответствует правой части приведенной схемы.

Рис.1. Взаимоотношение экологии с биологическими науками

К экологии сейчас прикованы взоры широкой публики, ученых, политических деятелей. Говорят об экологизации промышленности, экологической политике, даже об экологическом мировоззрении. Всех ”экологий”, что народились за последние годы, не перечесть (100 и более дисциплин): от традиционной биологической экологии (растений, животных, микроорганизмов) и общей экологии, объединяющей все биоэкологические знания, до глобальной экологии, археоэкологии (экологии древнейшего человека) и экологии города, даже экологии среды отдыха людей (рекреационной экологии). Экология покинула родные стены биологически чистого дома и, оттеснив материнскую науку биологию, частично географию со многими ее солидными отраслевыми потомками типа биогеографии и отчасти климатологии, чуть-чуть социологию, гигиену, даже экономику, заняла, взрывообразно внедрившись между естественными и общественными науками, самостоятельное место в системе знаний. Более того, она стала знамением этапа развития общественной культуры. Заговорили об экологической культуре или экологической фазе мирового прогресса.

Рис.2. Экологический взрыв в науке.

Новая большая (мега) экология оказалась без соответствующих профессионалов. Выражаясь языком экологии, у экологов расширилась экологическая ниша функциональное место в сети жизни (говорят, что она сходна с профессией” организмов), но сохранилось прежним место обитания (его сравнивают с адресом организма). Биоэкология так пока и осталась в недрах биологии, теснимая, а порой и объединяющаяся с молекулярной биологией, комплексом физиолого-биохимических дисциплин, модных, в этом комплексе, да и не менее важных в практическом и теоретическом отношении. Новой (большой) мегаэкологии в системе традиционных наук формального места пока не нашлось; это научное направление, относительно внезапно ставшее в один ряд с такими циклами знания, как материнская биология, физика или химия, не получило четкой прописки.

Более 20 лет назад профессор Колумбийского университета Д.Эренфельд сетовал на недостаток экологов в США. В 1968 г. Американское экологическое общество насчитывало немногим более 3000 человек, а в области экологии тогда специализировалось около 2500 студентов. Существовала острая нехватка преподавателей экологии. В наши дни воображают себя экологами в России довольно многие, но число даже таких самозванцев, по мнению Н.Ф. Реймерса, в 1990 г. не превышало 500 человек. До недавнего времени экологов готовил только Казанский университет, испытавший немалые сложности с определением их на работу. В 1990 г. начата подготовка специалистов, близких по назначению к экологам, в Пензенском государственном архитектурно-строительном институте. С осени 1992 г. начата подготовка экологов еще в нескольких вузах, но их число будет все же ниже, чем было в конце 60-х годов в США. К тому же, если в США уже тогда было несколько десятков квалифицированных преподавателей экологии, то в России в настоящее время их не более сотни. Патриархами всех российских экологов являются Н.Н.Моисеев и Н.Ф.Реймерс.

Пока вместо стройной мегаэкологии, как синтетической науки, четко обозначились лишь экологические проблемы и особый экологический” общенаучный подход к этим проблемам. Хотя все мы, как подчеркивал В.И.Вернадский, специализируемся не по наукам, а по проблемам, тем не менее экология без профессиональных экологов прямой путь к тому, чтобы на многие вопросы не было ответов.

Это вошло в явное противоречие с широким социальным заказом, общественными нуждами, что создает экологически напряженные ситуации. В их числе проблемы Белого и Черного морей, Азова, Арала и Каспия, Байкала, Ладоги, Чернобыля, Урала, Калмыкии, городов бывшего СССР, включая Пензу и многие другие. С приходом к нам экономики рынка экологические проблемы усугубляются. К сожалению, Россия вступает не в цивилизованный постиндустриальный капитализм, а в “дикую” его разновидность. Она же весьма разрушительна для природы, ее ресурсов, вызывает массу экологических осложнений, которые приносят уже многомиллиардные экономические убытки и острые социальные невзгоды. Не экологичное стало социально-экономически ущербным.

Ответом на сложившуюся ситуацию явилось экологическое движение, в лоне которого люди различных специальностей, но равно озабоченные экологическими проблемами экологисты - стали своеобразными просветителями. Среди них в первую очередь оказались, естественно, профессиональные биоэкологи, привычно исследовавшие взаимоотношения между организмами и средой их обитания. Поскольку “большая” экология изучает любую совокупность (предприятие, где трудятся люди, город, ландшафт и т.д.), в центре которой стоит живое вещество (человек, вид, сообщество растений, животных, микроорганизмов), биологам, а отчасти географам и химикам-технологам она оказалась также ближе всего по духу и стала объектом изучения.

Обостренный интерес к новому циклу знаний привел к тому, что все стали экологами, науку захлестнул поток непрофессионализма, началась удручающая профанация экологического просвещения в области высшего образования. Не имея экологов-профессионалов, коллектива специалистов и научной экологической общественности, околоэкологическое бурление порождает массу информационных шумов. Литературу буквально наводнили пышущие эмоциями материалы с нулевым сухим остатком позитивного знания. В экологию хлынули люди с неустойчивой, а то и больной психикой. Общественное бурление вынесло на поверхность гору псевдонаучного мусора всевозможных прорицателей, теоретиков и т.п. Особенно заметно это в нашей многонациональной стране. Но и во всем остальном мире проявляются сходные явления: непрофессионализм, экологическое политиканство, псевдозначительность заявлений при минимуме реальных дел.

Общественное движение стихийно. Очень не просто осознать, что человечество вступило в новую эпоху исторического развития. Для людей мира путь вширь закончился: планета не только нацело освоена, но дальнейшее ее преобразование смертельно опасно. Медики знают, что поражение значительной части кожи при ожоге делает надежды на спасение пациента мизерным. Так и в природе. Ожог антропогенного преобразования может стать слишком обширным. Земля приблизилась к этой черте.

Кончился путь в глубь материи, замены сил природы человеческим трудом. Расщеплен атом, тяжелые металлы рассеяны по поверхности земли, есть угроза, что то же произойдет с радиоактивными веществами, а естественное плодородие все больше уступает место искусственному заменителю -- “культуре” минеральных удобрений. Процессы саморегуляции численности врагов растений уступило место гибельному распространению пестицидов. Между тем, нет такого ядохимиката, который был бы смертелен для одних организмов и абсолютно безвреден для других. Все живое физико-химически едино.

Когда какой-то процесс количественно достигает крайних значений, когда дальше пути нет, происходит качественный перелом. Раз среда, окружающая человека, вся природа Земли уже освоена и путей вширь и вглубь, т.е. расширения эксплуатации внешних ресурсов, больше нет, значит должен измениться тот, кто идет этими путями, необходимо начать использование не внешних, а внутренних ресурсов.

Начался новый путь человечества -- самоусовершенствование общественных механизмов в рамках сузившихся возможностей биосферы Земли. В дальнейшем преобразовании нуждается не природа, а мир людей. Он должен соответствовать великим законам жизни, а не волюнтаристски развиваться им вопреки.

Необходимо осознать всю глубину происходящего переворота. На смену присваивающему, а затем производящему хозяйству с его экологическими и экономическими кризисами, промышленной и научно-технической революцией, преобразованием природы незаметно приходит не просто новый этап его развития, не третья техническая революция, а совершенно новая эра -- эра саморегуляции человечества, т.е. переход от экспансии в природе к самоизменению, попытке вписаться в нее после тысячелетних попыток ухода из естественной натуры. В этом и состоит, по словам В.И.Вернадского, ноосфера разумное воздействие на себя, дабы спасти природу для собственного же существования, ибо пока не умерла природа, живет и человек -- его неотъемлемая часть.

Крутой поворот в развитии человечества к саморегуляции не может совершаться на основе мизерных и непроизводительных денежных отчислений на охрану природы и экологию. Для нового пути необходим столь же новый социально-экономический механизм, который должен действовать не в ущерб, а во благо людей, давать новое экономическое, социальное и культурное богатство каждому человеку. Хотим мы этого или нет, этим инструментом может быть лишь экономическая деятельность -- экологический бизнес и сфера экологических услуг: производство новой измерительной техники; новая роль космоса, как источника глобальной и региональной информации; общее развитие информационных систем, несущих объективное знание о среде жизни, экологизация всех технологий с целью обеспечения развивающемуся человечеству сохранения привычной жизни, которая соответствует гигиеническим возможностям людей, как живых организмов.

Человечество должно обратиться к расширенному использованию вторичных ресурсов, попутных веществ и отходящего тепла, иначе мусор и пустые горные породы покроют сушу мертвым грязным слоем, мировой океан будет отравлен нечистотами, мир поразит термодинамический (тепловой) кризис, да и не хватит первичных естественных ресурсов, которые и сейчас в дефиците.

Слишком много человек взял у природы. Наступил час ее воспроизводства человеком. Природе необходимо отдать максимум ей принадлежащего, сохранить экологическое равновесие. Особо охраняемые территории (заповедники, заказники.) в этих условиях оказываются не только местами для “любования” и сохранения видов живого, но и важнейшей сферой общеземных услуг, надежными и долговечными экологическими балансирами, без которых не смогут выжить ни растения и животные, ни человек.

Сам он, человек, требует внимательного воспроизводства. Труд, земля, капитал -- все это в наши дни ничто, если нет знания. Умный, знающий, умелый человек -- драгоценный товар. Это нужно понять и человека ценить. Его здоровье -- величайшее богатство, куда большее, чем любая вещь. Не независимых людей нет, а незаменимого человека не сыщешь -- таково современное кредо просвещенного человечества. Человечество смертельно устало, крутясь в водовороте им же созданной машины жизни. Ему нужен отдых. И налаженная рекреация один из элементов новой картины мира. Отдых не менее прибылен, чем труд. Отдохнувший человек -- думающий работник.

Мировой хаос преобразования и использования природы, ее богатств в эпоху дефицита естественных благ продолжаться не может. Необходима четкая экологическая политика и рачительное экономико-экологическое планирование. Природные ресурсы должны получать общемировую согласованную оценку. В каждом регионе необходимо решить, как лучше использовать имеющиеся богатства, с тем, чтобы получить максимум возможностей для людей, при минимальном нарушении природы.

Экономика -- наука относительных чисел. Дорогое сегодня завтра становится дешевым, бросовое превращается в величайшую ценность. Еще вчера нефть и электричество были лишь забавой. Сегодня без них человечество жить не может. Дикая природа была враждебна и только враждебна нашим предкам, а теперь люди готовы платить огромные деньги, чтобы только взглянуть на лес, поле, чистую речку. Сейчас драгоценностью становится здоровая природа и здоровый человек. Наша эпоха -- это эпоха умных людей, научного знания и технического прогресса.

И наконец, самое сложное. В 1900 г. население нашей планеты составляло около 1,5 млрд жителей, в 2000 г. будет 5 млрд, а по различным расчетам в 2100 г. в пределах 12 -- 20 млрд. На маленькой, конечной по размерам Земле не может существовать бесконечно растущее человечество. Этот рост может прекратиться по естественным экологическим причинам, так как это должно произойти в соответствии с законами мироздания. Страшно подумать, как это будет происходить… Необходимо вовремя включить тормоз. Он состоит из многих элементов, но главный из них -- максимальное качество жизни, богатство души и тела каждого из людей. Чем лучше живет человек, чем разнообразнее его интересы и выше культура, нравственность тем легче происходит демографическое планирование. До сих пор люди шли по дороге преобразования природы, забывая о том, что пора преобразовывать себя.

Должен произойти глубокий перелом в сознании людей, их миропонимании, отношении к природным богатствам. Таковы вехи экологизированного общественного развития.

2. ЗАКОНЫ МИРОЗДАНИЯ

Каждая эпоха порождает свои представления о мире, свою парадигму(от греч. paradigma -- пример, образец), т.е. свою систему понятий, или совокупность теоретических предпосылок, определяющих конкретное научное мышление, тип научного мышления. Например, долго господствовавшая вера, что все создано Богом, для своего времени была оправданна и лежала в основе всего миропонимания.

Современная наука основывается на системной парадигме, которая и положена в основу всех наших понятий в том числе в основу понятия экосистемного строения биосферы.

Определим понятие системы. Система (от греч. sistema целое, составленное из частей) саморазвивающаяся и саморегулирующаяся, определенным образом упорядоченная материально-энергетическая совокупность, существующая и управляемая как относительно устойчивое единое целое за счет взаимодействия, распределения и перераспределения имеющихся, поступающих извне и продуцируемых совокупностью веществ, энергии и информации, и обеспечивающая преобладание внутренних связей (в том числе перемещений веществ, энергии и информации) над внешними. Или проще это множество элементов, образующих определенную целостность, единство.

Упоминание элемента требует его определения. В рамках системы это, условно, далее не делимая ее часть. Например, для индивида, как самостоятельно существующего - это клетка, а для клетки это цитоплазма или ядро, клеточная мембрана, биологическая макромолекула, для макромолекулы атом, для атома элементарная частица. Для экосистемы элементом является организм, т.е. индивидуальная консорция, для биосферы биогеоценоз (от греч. био..., гео..., koinos -- общий), т.е. однородный участок земной поверхности с определенным составом живых и неживых компонентов, динамически взаимодействующих между собой (обмен веществ и энергии). Таким образом, биогеоценоз, как экосистема, состоит не только из живого, но и из неживого, как писал В.И.Вернадский, из живого и косного вещества.

Все живое на планете опирается на что-то. Такую опору называют субстратом. Это может быть земная твердь, вода, ее капельки в атмосфере -- все, на чем и в чем существует жизнь.

Движущей силой в любой материальной системе служит энергия. Она приходит прежде всего от Солнца и привносится человеком. Вместе с газами атмосферы и водой энергия определяет климатические, чаще -- физико-химические характеристики среды.

Рис.3 Экологические компоненты

Поток энергии Солнца воспринимается растениями, и лишь местами на Земле сохранились древние организмы -- хемосинтетики, использующие энергию химического синтеза. Они создают свои ткани из двуокиси углерода без участия солнечной энергии, за счет энергии, получаемой при окислении неорганических соединений (аммиака, водорода, соединений серы, закисного железа). Таким образом, растения и хемосинтетики создают органическое вещество из неорганических составляющих. Их называют продуцентами (от лат. producentis-- производящий), в отличие от противоположно действующего звена, или экологического компонента, редуцентов организмов, разлагающих органическое вещество на неорганические минеральные составляющие (от лат. reducentis -- восстанавливающий). Их называют также минерализаторами или деструкторами. Это в основном микроорганизмы. Если бы существовали только продуценты, то планета скоро была бы завалена негниющими и нераспадающимися телами. Редуценты служат на Земле санитарами и замыкают биогеохимический круговорот веществ.

Таким образом, одни растения и хемосинтетики создают органическое живое вещество, другие организмы-редуценты разлагают его на минеральные составляющие для дальнейшего обновления. Такова логика вечно молодой жизни. Но соотношение производитель разрушитель очень неустойчиво. То растения произведут слишком много органики и редуценты за ними не поспевают, то наоборот редуценты оказываются столь активными, что начинают разрушать не мертвое, а живое вещество. Необходим какой-то управляющий балансир. Он был эволюционно найден природой в лице консументов-потребителей органического вещества (от лат. consumo -- потребляю). Они представлены в основном различными животными-травоядами, вообще растительноядными организмами. К консументам относятся и многочисленные паразиты-животные и растения.

Основной поток энергии (рис.4) идет в направлении от солнца к растениям-продуцентам (ПР), животным консументам (КО), редуцентам (РЕ) (тонкие сплошные стрелки на рис.4), от них к животным и от животных к деструкторам-редуцентам (широкие сплошные стрелки).

Кроме обмена энергией происходит обмен веществ между растениями и организмами-деструкторами. И он неравновелик: энергия идет главным образом от растений, лишь очень тоненький ее ручеек течет в обратном направлении (пунктирная стрелка на рис.4). Вещество же перетекает по кругу: минеральные составляющие (МС) -- растения-животные-редуценты (стрелки малыми окружностями на рис.4), а также растения-редуценты. Штрих-пунктирными линиями на рис.4 показано управление консументами соотношений между редуцентами и продуцентами. К консументам относится и человек. Живое и косное вещество как бы встречаются на границе твердого субстрата. Тут образуется почва биокосное образование (по В.И.Вернадскому).

Рис.4 Закон вечно молодой жизни

По законам кибернетики управляющая подсистема не может быть проще управляемых. Консументы-балансиры в экосистеме играют роль такого управляющего звена. Следовательно, они должны быть очень сложно устроены и многочисленны по числу видов и особей. Так и есть -- основную массу видов живого составляют именно животные -- не менее трех четвертей всего видового богатства мира (около 1,5 млн. видов).

Мир живого и неживого огромен. Разнообразие его неисчислимо. Но он четко структуризирован и подчиняется общим закономерностям бытия. Иначе быть не может. Хаотично перемещающиеся в броуновском движении молекулы или атомы не могут сложить ни кристалла, ни клетки, ни организма. Все вокруг регламентировано естественно научными законами. Природное разнообразие всегда закономерно.

Если материальными потоками движет энергия, то взаимоотношение между организмами и их с косной средой основывается на информации энергетически и физико-химически слабых взаимодействиях, воспринимаемых как сигнал о возможности многократно более мощных процессах изнутри или извне и вызывающих ответные реакции. Информация и ответы на нее очень разнообразны. Это и ограничения, накладываемые на системы, например, Солнцем на земные явления и физико-химические процессы типа генетических; и сообщения, получаемые через органы чувств; это и врожденные реакции протоплазмы, клеток, тканей, органов, их систем, всей особи; и более или менее осмысленные действия, основанные на приобретенном опыте. Без информации живое вещество не может существовать или в лучшем случае оно будет угнетено, застопорено. Например, животное, перенесенное из одной окружающей среды в другую, угнетается этой средой. Информация, как и энергия, -- невещественный экологический компонент. Она наиболее совершенна у животных -- управляющего звена экосистемы. Животные имеют развитые органы чувств и максимальную в мире живого возможность реакции, в том числе через подвижность и даже разумную деятельность.

Итак, биогеоценоз это система (экосистема), а не просто хаотичная структура. Деление мира на элементы системы доказывается функциональностью этих отдельностей и их системной целостностью, взаимозависимостью, самоорганизацией. Груда кирпичей это не дом, набор органов не организм. Это совершенно очевидно. А вот то, что тундра или любая другая экосистема есть не случайное, а совершенно закономерное сочетание экологических компонентов и их элементов, понять сложнее. Хотя и доказывать нет особой нужды. Аксиома системной целостности, или организованности, -- первая в ряду рассматриваемых нами законов природы.

Любая система, кроме конечной в ряду иерархии (элементарная частица), состоит из подсистем. Целое и его часть могут быть очень похожи (закон подобия части и целого), и, главное, хотя часть потенциально может представлять все целое (например, голубь -- свой вид), тем не менее еще древние говорили, что “целое больше суммы его частей”. И эта истина не требует доказательств. Она аксиоматична.

Индивид не включает в себя всего генетического разнообразия популяции, вида. Простая сумма индивидов еще не вид, совокупность органов не организм. И мое Я не есть сумма ног, рук, сердца, печени и т.д. Из-за организованности целого, оно действительно больше суммы его частей. Этот вывод называют постулатом или аксиомой эмерджентности (от англ. emergent -внезапно возникающий).

Экосистема состоит из многих подсистем, например видов живого. Мир разделен на системные разности, которые стремятся к самостоятельности -- сепаратизму. Как утверждает закон системного сепаратизма, разнокачественные составляющие всегда структурно относительно независимы. Сепаратизм очень ограничен: так все системы тесно взаимосвязаны, имеют общую судьбу в пределах одной надсистемы, но все же относительно самостоятельны.

Отдельные части -- подсистемы -- не могут быть беспредельно большими и маленькими, что определяется необходимостью выполнять определенные функции, информационными и энергетическими ограничениями. Так, млекопитающее не может быть меньше того размера, который необходим для рождения живых детенышей или производства развитого яйца, как яйценесущие утконосы и ехидна, размер млекопитающего диктуется необходимостью выкармливать детенышей молоком и к тому же успевать поддерживать свой обмен веществ, который тем интенсивнее, чем меньше размеры индивида. Слишком крупным млекопитающее также не может быть -- излишне много требуется корма, а его необходимо собирать, затрачивая на это энергию. Затраты энергии на жизнеобеспечение при слишком большом размере животного будут больше прихода энергии от съеденной пищи. Итак, необходимо оптимальное соотношение размеров и обмена энергией. Этот закон оптимальности непреложен. В соответствии с ним система не может бесконечно сужаться или расширятся, она с наибольшей эффективностью функционирует только в некоторых характерных для нее пространственно-временных пределах, называемых характерным размером системы. Диапазон разброса велик: слон отличается по биомассе от землеройки, а колибри от страуса соответственно в 2 млн. и почти в 50 тыс. раз. Крупнейшие звезды больше карликов в тысячи раз. Однако нет млекопитающего или птицы размером со звезду.

Все развивается в одном направлении, т.е. однонаправленно, это утверждает закон вектора развития. Нельзя прожить жизнь наоборот: от смерти к рождению.

Индивидуальное развитие элемента системы сокращенно повторяет ход эволюционного изменения всей системы, к которой относится данный вид. Это системогенетический закон, в соответствии с которым любой индивид повторяет развитие, эволюцию своих предков, например в развитии зародыша человека наблюдаются фазы развития одноклеточного существа, рыбообразного организма и так далее (биогенетический закон Э.Геккеля -- Ф.Мюллера). Также развиваются, например, экосистемы на обезвоженных берегах озер, морей и рек, т.е. на любых безжизненных пространствах: сначала одноклеточное, затем отдельные растения и животные, потом луговая и лесная растительность. Даже развитие горных пород следует системогенетическому закону: минералогические процессы в короткие интервалы времени как бы повторяют общую историю геологического развития земли (геогенетический закон Д.В.Рундквиста).

По закону последовательности прохождения фаз развития фазы развития очень строго определены: не может вылететь бабочка сразу из гусеницы, только из куколки. Сложные системные структуры мира развиваются согласно системопериодическому закону: природные системы одного уровня организации (все атомы, все особи и т.д.) составляют периодический, или повторяющийся, ряд морфологически аналогичных структур. Классическими примерами этого является периодическая система элементов Д.И.Менделеева и закон гомологических рядов Н.И.Вавилова. Обобщений может быть столько, сколько существует рядов в иерархии систем, а наличие самой иерархии -- очевидная истина, аксиома.

Развиваясь, система существует за счет окружающей среды, своей надсистемы, т.е. только за счет внутренних запасов вещество может развиваться лишь при поступлении энергии извне. Так развивается куколка бабочки. Внешне она безжизненна, но внутри нее идут бурные процессы энергообмена, оставь куколку на морозе -- и она в конце концов погибнет, во всяком случае, не сможет развиваться: необходимо тепло. Если какая-то экосистема, например участок леса, находится в чуждой для нее среде (в случае леса среди лугов), то она постепенно деградирует. Лес сначала теряет лесные виды трав и животных, затем изреживается, приобретает парковый характер, наконец сменяется лугом.

Закон растворения системы в чужой среде был сформулирован советским геофизиком Г.Ф.Хильми в 1966 г. Это очень важное обобщение было известно и раньше, и все-таки предполагалось, что выделяемые небольшие заповедные участки можно сохранить как эталон природы. Оказалось, что чем меньше остров охраняемой экосистемы в преобразованной природе, тем быстрее он разрушается. На островах, среди океана, действует сходная закономерность -- правило Дарлингтона.

Любая система яростно сопротивляется воздействиям извне. Чем больше угроза, тем сильнее сопротивление. Это хорошо известно из обыденной жизни: например, не следует дразнить животное, если не хотите пострадать от его нападения. В физике, рассматривающей неживые системы, лишенные эмоций был сформулирован аналогичный принцип Лешателье-Брауна: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Системы живого лишь аналогичны физическим, но действие принципа Лешателье-Брауна в них наблюдается, однако, лишь до тех пор, пока внешнее влияние не превышает какого-то порога, далее происходит саморазрушение. Особенно заметно это на экосистемах: если вначале тот же лес среди луга поддерживает лесную среду жизни, то позже под полог его проникают луговые виды, которые препятствуют возобновлению лесных растений и поражают оставшиеся деревья, что ведет к замене леса лугом.

Итак, при изменении условий внешней среды происходит смена одних экосистем -- биогеоценозов другими. А изменение одной экосистемы вызывает изменение других связанных с ней экосистем, изменение их сочетания, а затем по иерархии системы процесс может коснуться и биосферы в целом. Эти проблемы напрямую встали перед современным человечеством. В результате смен, идущих по иерархии снизу вверх, от биогеоценозов к биосфере, биосфера в значительной мере уже перестала следовать принципу Лешателье-Брауна. Если глобально это пока еще не очень заметно, то регионально началось саморазрушение, например опустынивание планеты. Человечество уже вынуждено думать, как исправить положение, как управлять природными процессами, чтобы сохранить действие принципа Лешателье-Брауна, т.е. сохранить среду обитания на планете. Иначе необратимость изменения среды ведет к изменению (уничтожению) самого человека, как биологического вида, как элемента системы биогеоценоза.

Развитие человеческой цивилизации до сих пор осталось на парадигме управления природой, ее эксплуатации по принципу “мы не можем ждать милости от природы, взять у нее -- наша задача”. В нас всех заложено технократическое мышление: наводнение предотвращается с помощью плотин и дамб. Строятся ветроломы и каналы, укрепляются берега бетонными стенами, а инженерные сооружения не являются самоорганизующимися системами, так как не входят в систему биогеоценоза. Технократическая парадигма все больше входит в противоречия с системной парадигмой.

Люди привыкли приказывать природе, исправлять ее техническими средствами. До определенных пределов это разумно и оправдано, но следует помнить, что природа, откуда вышел человек и частью которой он остается, всегда была и будет сильнее человека, своего сына. Поэтому человеку необходимо от технических средств управления средой жизни, т.е. жесткого управления, все в большей степени переходить к мягким формам управления при системном подходе. Рассмотрим это на примере.

Давно подмечено, что море съедает сушу. Особенно это заметно для Средиземного, Черного, Каспийского морей и Атлантики, где вдоль побережий построена масса берегоукрепляющих сооружений. Так, черноморское побережье обезображено бетонными ребрами-бонами и в результате холодный мертвый бетон во многих местах сменил теплый песок, пляж уносит море. Например, на африканском побережье Атлантики в Гане случилась катастрофа. Город Кета на реке Вольта, расположенный в трех километрах от устья реки, был смыт водами Гвинейского залива. Причина была -- в строительстве на реке Вольта гидроэлектростанции. Воды реки перестали нести в залив материалы так называемого твердого стока: камешки, песок, ил. Берег начал интенсивно размываться. И никакие преграды и технические ухищрения не были способны остановить этот процесс: строить плотины на таких реках, как Вольта, недопустимо.

Еще пример. К концу 20-х началу 30-х годов ХХ века в США было настроено уже много плотин, дамб, ирригационных сооружений; то же было сделано и в СССР к 40-м годам. Это казалось техногенным успехом. Но в 30-е годы в США, а вначале 40-х годов в СССР начали свирепствовать стихийные явления; происходило бурное опустынивание берегов, наводнения заливали огромные площади. И только тогда стало ясно, что не технические, а экологические решения могут исправить положение. С этой целью были посажены лесные полосы и залесены пески, в верховьях рек и вдоль их берегов также был высажен лес, т.е. были приняты меры к восстановлению саморазрушающейся экосистемы, было отрегули-ровано соотношение экологических компонентов экосистемы. Стихийные явления возникли от дисбаланса приходящей энергии, воды, атмосферы, живых субстратов, т.е. составляющих экосистемы. Если бы в данном случае возобладал соблазн продолжать технически “командовать” природой, а такой соблазн существует и сейчас, опустынивание не оставило бы никаких надежд на успех. Мягкое исправление соотношения экологических компонентов системы дало эффект: пыльные бури были приостановлены, уменьшились и наводнения. Пока успех здесь не полный и не окончательный, но это связано с тем, что программы не были доведены до конца.

Человек, плохо знающий законы природы, в своих начинаниях склонен к гигантизму, что приводит к нарушению закона оптимальности. Невозможно безнаказанно нарушить закон последовательности прохождения фаз развития, например, сразу вырастить хвойный лес, минуя подготовительную фазу лиственных насаждений. Принцип природопользования, основанный на неограниченном изымании благ у природы, бесперспективен, ресурсы природы не являются неисчерпаемыми. Попытки природоохранителей защитить природу в крошечных заповедниках, дает кое-что, но не является выходом: необходимо создавать большую систему природных охраняемых территорий на основе закона оптимальности. Нельзя преобразовывать слишком большие пространства. Сохранить природу возможно, лишь отдав ей львиную долю площадей. В учете принципа Лешателье-Брауна спасение человечества. Само разрушение среды жизни гибельно для самого человека. Только мягкое управление спасает от стихийных сил природы. Если не знаешь, куда идти, никуда не придешь. Знание законов природы указывает пути движения к безопасному будущему.

3. БИОСФЕРА

3.1 Основные понятия о структуре биосферы

Биосфера (от био и сфера) - область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу (совокупность водных объектов земного шара) и верхнюю часть литосферы (внешняя сфера твердой Земли, включающая кору и часть верхней мантии -- субстрат). В биосфере живые организмы и среда их обитания органически связаны, взаимодействуют между собой, образуя целостную динамическую систему.

Как устроена биосфера. Биогеоценоз, как экосистема, является элементом биосферы, как системы, и находится с ней в сложных иерархических отношениях, подобных отношению организма и клеток его тканей, эти отношения имеют несколько иерархических уровней организации (ткани, органы, системы органов и т.д).

Рис.5. Слой биосферы

Слой биосферы (рис.5) достигает толщины в 12-17 км: несколько меньше в области суши и больше в области океана. Эта разница, как и различие среды жизни на материках и в мировом океане, определяет разделение биосферы на три крупнейшие меросферы (греч. meros часть, доля), две из которых -- геобиосфера и гидробиосфера (греч. gehyros -- влажный). Составной частью является и воздушный океан, который также биологически населен, хотя и спорадически, главным образом микроорганизмами, существующими в капельках воды. Это третья меросфера аэробиосфера (греч. aer воздух).

Меробиосферы распадаются на довольно четко прослеживаемые слои со своими бионтами (греч. biontos -- живущий организм). Аэробиосфера, населенная аэробионтами, в свою очередь, делится на тропобиосферу -- пределы нижних частей атмосферы (греч. tropos поворот, изменение), включая высоту сохранения положительных температур, и альтобиосферу (лат. altus -- высокий) область выше этих пределов, где царствует вечный мороз, но жизнь возможна из-за солнечной инсоляции. Этот слой аналогичен золотой зоне на суше (см. ниже). В атмосферной тропосфере в теоретическом ее вертикальном пределе (граница между тропосферой и стратосферой) лежит альтобиосфера. Выше ее организм жить не в состоянии из-за жесткого ультрафиолетового облучения.

Туда организмы и их споры попадают лишь случайно. Эта парабиосфера (от греч. para возле, при), или надбиосфера, простирается максимум на 40 км над землей. Выше, куда живые организмы уже не попадают, но не исключены биогенные вещества, расположена апобиосфера (греч. apo без). Это место обитания космических кораблей со своим миром биобагажа, захваченного с поверхности Земли. Он называется артебиосферой (от лат. arte искусственно).

Спускаясь по слоям гидросферы в глубины вод, мы столкнемся с явной разницей между живыми субстанциями Мирового океана, континентальных водоемов и водотоков со стоячими и текучими водами. Очевидно, что океанобиосфера, или маринобио-сфера (лат. marinus -- морской), включающая маринобионты, и аквабиосфера (лат.akwa -- вода) -- вода суши, включающая аквабионты, составляют отдельные природные системы. Их вертикальное деление связано с потоками света и тепла. Ближе всего к поверхности лежит хорошо освещаемая и лучше прогреваемая фотобиосфера (греч. photos-- свет), ниже слой, куда попадает очень небольшая часть солнечных лучей, но где еще возможен фотосинтез, осуществляемый микроорганизмами (дисфотобиосфера -- сфера, противоположная фотосфере). Наконец, еще глубже -- мрак и огромное давление (афотобиосфера океана и глубочайших озер мира -- сфера без света).

Функционально отличаются воды суши: реобиосфера (греч. rheos течение) водотоки и лимнобиосфера (греч. limne -- озеро) стоячие водоемы, или озера. В соответствии с делением озер на пресноводные и солоноватые лимнобиосферу можно разделить на дульцилимнобиосферу (от лат. dulcuo -- пресноводный) и галолимнобиосферу (от греч. gals -- соль).

Над самой поверхностью суши расположена фитобиосфера -- область произрастания растений -- фитосреды (греч. phyton растение). Фитосфера, как и верхний слой фотосферы Мирового океана, -- наиболее продуктивный слой биосферы. Его называют активной пленкой жизни. Часть биосферы в пределах суши может быть названа террабиосферой, включающей террабионты (от лат. terra -- земля, суша).

Растения поднимаются в горы до высоты примерно в 5 км. Дальше царствует вечный мороз, но жизнь и здесь теплится. Тут обитают некоторые паукообразные и микроорганизмы, питающиеся частицами растений, их пыльцой и органическими останкам, приносимыми снизу. Как и в вертикальном поясе альтобиосферы, энергетика живого здесь базируется на прямой солнечной инсоляции. Это эоловая зона, или эолобиосфера (Эол -- греч. aiolos -- в греческой мифологии повелитель ветров).

Корни растений уходят в почву, и она составляет педобиосферу (от греч. pedon -- почва). С этого пограничного между атмосферой и литосферой слоя с его педобионтами начинается литобиосфера с ее литобионтами (греч. lithos -- камень). До кислородной границы т.е. до тех слоев литосферы, куда проникает атмосферный воздух (глубина от одного до нескольких километров) лежит гипотеррабиосфера (греч. hypo -- внизу), т.е. подземная сфера, где жизнь базируется на потоке биогенов (организмов), поступающих из фитосферы, и продукции организмов -- хемосинтетиков. Глубже живое очень разрежено, и в основном организмы могут обитать лишь в подземных, глубинных водах. Аэробное дыхание (греч. aer -- воздух) из-за отсутствия кислорода здесь исключено, это царство анаэробионтов (анаэробов), составляющих теллуробиосферу (лат. tellus- земля). В пределах гипотерробиосферы существует немало мест обитания живого в подземных водах: пещерных водоемах и пластовых водах. Эти организмы называют стигобионтами, или троглобионтами (от греч. Стикс -- мифологическая река подземного царства; и греч. troglese -- пещера). Живут организмы в этих водах главным образом благодаря потоку биогенов с поверхности земли. Местной биопродукции им не хватает, и поэтому они зависят от водных потоков под землей.

Глубже под теллуробиосферой расположен слой, куда организмы попадают случайно и часто не по своей воле. Это гипобиосфера (“подбиосфера”) -- аналог парабиосферы в атмосфере. Еще глубже, на глубинах 5-6 км, царствует нестерпимая для живого жара и невероятное давление горных пород. Здесь начинается слой метабиосферы, где прослеживаются еще биогенные породы, но жизни как таковой нет (греч. meta -- после, за). Наконец, еще глубже лежит абиосфера (греч. a + bios -- нежизнь), где не ощущается никакого воздействия жизни -- все стерто глубинными процессами литосферы.

Как глубоко проникает жизнь в глубины планеты, пока не совсем ясно: в буровых скважинах, на глубине до 4 км, обнаружены микроорганизмы, а микробиологические останки -- до 7 км. С повышением давления вода не кипит при температурах 100° C и выше. Так, в “черных курильщиках” -- выходах термальных вод на дне океана -- на глубинах в 3 км при давлении около 300 атмосфер есть жизнь при температуре в 250° C. Перегретая жидкая вода в литосфере обнаружена на глубинах до 10,5 км. Теоретически здесь может быть что-то живое. Но глубже 25 км, по расчетам, должна существовать критическая температура в 460° C, при которой в условиях любого давления среды вода неминуемо превращается в пар, а поэтому жизнь невозможна.

Если область современного обитания живых организмов имеет вертикальную протяженность 12 -- 17 км, то сфера случайного попадания организмов и осадочных биогенных пород (мегабиосфера -- “большая” биосфера) занимает слой примерно в 50 км: от нижних границ парабиосферы (греч. para -- возле) до нижних ее границ -- метабиосферы (греч. meta -- после). Вместе с артебиосферой (лат. arte -- искусственно) все пространство проникновения жизни называют панбиосферой (гр. приставка pan со значением: охватывающий все).

Области биосферы на земле можно рассматривать в процессе ее изменений по мере эволюции жизни на земле, т.е. рассматривать хронобиосферу (греч. chronos -- время). В процессе эволюции биосфера земли непрерывно расширялась, охватывая все более широкие земные сферы и даже покидая их пределы, например, в результате высадки людей на Луне. По наиболее распространенной гипотезе жизнь возникла и начала распространятся только в первичном океане (возможно, и в литосфере), затем она заселила речные воды и континентальные водоемы и вышла на сушу. Возможно, одновременно с поселением в океане живое оказалось и в литосфере, поначалу там, где смыкалась водная стихия и земная твердь, а затем и повсеместно. Наконец, микроскопические существа начали осваивать самую негостеприимную среду атмосферы: капельки воды (тумана) и затем частицы твердого вещества (аэрозоля) в ней.

Все поле жизни не может не иметь и горизонтальной структуры, функционального членения на просторах Земли. Это, конечно, не разделение на плоскости, потому что все экосистемы планеты -- объемные образования, имеющие три измерения, но распространение жизни и ее изменение идет как по вертикали, так и по горизонтали земных пространств. Это усвоило еще совсем древнее человечество, люди кочевавшие, как и звери, в поисках обильной пищи.

Сначала на уровне практического, а затем и научного знания было подмечено, что мир живого меняется с продвижением от экватора к полюсам с юга на север или наоборот с севера на юг. На этой основе учеными, прежде всего географами, было предложено множество схем деления лика планеты. К этим географическим членениям мы еще вернемся позже, когда будем говорить о мозаике жизни, а сейчас попробуем пройти ступеньками лестницы организации экологических систем -- “кубиков” построения биосферы Земли.

Здесь, забегая далеко вперед, необходимо определить, что под экосистемой, являющейся подсистемой биогеценоза (биосферы), мы понимаем функциональное целое, состоящее из находящихся в тесном единстве организмов и среды их обитания. При этом количество и качество энергии, газов, воды, твердого или жидкого субстрата и населяющих экосистему организмов, в силу тесных связей внутри ее, заметно отличается от таких же показателей в соседней экосистеме. Одна экосистема, если не зримо, морфологически, то функционально отчленена от соседней. Обычно границы между экосистемами составлены более или менее широкими переходными полосами.

Сфера жизни с населяющими ее микроорганизмами, грибами, растениями и животными аналогична, как система, организму, состоящему из клеток, тканей, органов. И, как в организме, чем крупнее образование, тем четче его границы. Печень не спутаешь с сердцем, но на клеточном уровне эта дифференциация меньше: мышечные клетки (ткани) в разных органах аналогичны. Хотя в определенном порядке, но все же перемежаются клетки жировые, соединительнотканевые, гладких мышц, поперечно-полосатых мышц и т.д.

Организм сравнительно легко обозрим, но биосфера огромна, единым взглядом ее не окинешь, лишь с высоты космического полета. Но оттуда уже мало что видно. Приходится мысленно нарезать “пирог” огромного “сверхорганизма” биосферы, состоящего из живого вещества и среды его обитания. А сделать это по естественным границам непросто.

Как уже было сказано, эти границы функциональны и не везде видны на глаз. Во многих местах они стерты человеческой деятельностью, да и от природы нечетки: жестких граней природа почти не терпит. Суша, вода и воздушная среда плавно не переходят друг в друга, но их обитатели: земноводные, растения, животные, летающие организмы -- “нарушают” эти границы. Четкость границ леса и его опушки, как правило, свойственна естественному образованию. Резкий характер границ обусловлен антропогенным воздействием: выкашиванием травы, выпасом скота, вытаптыванием и т.п.

Некоторые ученые, совершенно справедливо обращая внимание на единство живого покрова Земли, отрицают наличие экосистем и их иерархии. Они говорят о континууме(лат. continuum -- непрерывное, сплошное) жизни, постепенном изменении свойств ее проявления. Эта точка зрения верна и в то же самое время слишком абсолютна. Жизнь есть функциональное единство одновременно непрерывности и дискретности. Например, каждый индивид самостоятелен, но вместе с тем входит во множество групп, без которых он не в состоянии либо существовать, либо дать потомство.

Трудности структуризации жизни велики, но попробуем сложить “кубики” биосферы в самом простом и лучше всего изученном месте, на суше.

Еловый и сосновый лес, липняк и дубрава, если они составлены из одной лесной породы, луг и соседствующий с ним лесной колок легко отличить друг от друга. Это элементарные экосистемы, “клеточки” биосферы на суше, биогеоценозы.

Озеро, лужок вокруг него и окаймляющий их лесок -- это обычное сочетание биогеоценозов в равнинной Западной Сибири. Или расположенные рядом луга, кустарники, а кое-где ельники в речной долине связаны с водой, ее деятельностью. Подобное явное единство можно назвать биокомплексом.

Если плыть по большой реке, например по Волге, Енисею или Амуру, можно подметить, что меняются виды ив, составляющих прибрежные кустарники, иными становятся луга. И для этого не нужно перемещаться из зоны лесов в степи или тундру, изменения происходят в пределах и одной ландшафтной зоны лесов. Леса Мещеры или Полесья отличаются от лесов верховий Волги. Биокомплексы тут различны, хотя внешне сходны и в совокупности составляют индивидуальные образования. В географии эти однородные природные подсистемы называют ландшафтами, в науке о биосфере их называют биолокусами(лат. localis -- местный, локальный, отнесенный к определенному месту).

Северная тайга явно отличается от южной и тем более от тропических лесов. Поэтому говорят: биом хвойных (северных) лесов, биом широколиственных лесов и т.д. Каждый биом состоит из многих биолокусов, а группа биомов слагает биозону, или природный пояс лесов, лугостепей, пустынь.

Биозоны степей южной России и Украины явно отличаются от биозон степей Северной Америки, леса Канады не спутаешь с сибирскими. И степи, и леса формировались в сходных природных условиях, но вдалеке друг от друга, и эволюционная история у них была разная. Соседствовали степи и леса в каждом месте по-своему. Назовем такие естественноисторические образования биорбисами или биоорбисами (лат. orbis -- область распространения).