Информационный портал  "TRANSFORMаторы"

 

«Экология»

Тихонов А.И.


 

 

Предисловие


Данное издание возникло как результат работы над курсом лекций по экологии для студентов технических вузов, в частности для телекоммуникационных и энергетических специальностей. Учебное пособие (или учебник) содержит четыре части:

Особый акцент сделан на вопросах общей теории жизни. Особенность менталитета будущих инженеров состоит в стремлении понять законы природы, лежащие в основе изучаемых объектов, разобраться в механизмах явлений живой природы. Вместе с тем традиционные принципы научного подхода, знакомые им со школы, приводят к механистическому пониманию феномена жизни и не позволяют выявить его специфику. В результате у многих складывается впечатление, что жизнь на планете Земля является грандиозной случайностью. Это не соответствует современным представлениям, особенно тем, которые вытекают из трудов В.И. Вернадского, П.Тейяра де Шардена, Н.Н. Моисеева и др. Поэтому студенты вынуждены многое принимать на веру. Изучение экологии превращается в пустое заучивание, что для технически мыслящих людей совсем не характерно. Поэтому в техническом вузе наиболее близок и понятен студентам физико-философский подход к экологии в отличие от более традиционной биологической или даже прикладной направленности.

Следует отметить, что единой теории, объясняющей суть феномена жизни, пока не существует. Наука, несмотря на ее бесспорные успехи, еще не в силах охватить эти сложнейшие явления. Поэтому в этой части данный курс экологии носит во многом проблемный характер. В то же время уже сформулированы законы, являющиеся общими для всех явлений природы, в том числе и тех, которые мы традиционно относим к проявлениям жизни, психики, разума и т.п. Знание этих законов помогает сориентироваться в наших экологических проблемах и найти выход из них.

Прежде, чем приступать к вопросам инженерной экологии, студент должен в первую очередь почувствовать, что природа обладает всеми признаками живого организма. Человек должен знать, что планета – это не просто субстрат, на котором развивается нечто исключительное, называемое нами жизнью, а живой организм со всеми присущими живым организмам чертами. Если к планете, которая сейчас находится в опасности, человек будет относиться как к живому существу космических масштабов, то, возможно, нам удастся избежать гибели этого организма. Иначе никакие природоохранные мероприятия нас не спасут.

В части общей экологии предлагаемый курс базируется в первую очередь на работах В.И. Вернадского и П.Тейяра де Шардена, которые удачно продолжены работами Н.Н. Моисеева (в частности [11,12,13]). В их трудах разработаны общетеоретические принципы нового мировоззрения, позволяющего рассматривать феномен жизни как органичную составляющую глобального эволюционного процесса. В качестве основной литературы, которая использовалась при разработке данного курса, можно также отметить книги Н.Ф. Реймерса [2] (здесь дана четкая классификация законов экологии, на которые опирается данный курс), и Ю. Одума [1] (курс экологии в классическом варианте).

В части прикладной экологии упор сделан на электромагнитную экологию, поскольку книга в первую очередь ориентирована на студентов вузов телекоммуникационного и энергетического профиля.


Раздел I

ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ЖИЗНИ


Глава 1

ПРОБЛЕМЫ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА

1.1. Содержание предмета

Cлово «экология» образовано от греческого «ойкос» (дом) и «логос» (знание, наука). Его ввел в 1866 году немецкий биолог Эрнст Геккель. Буквально экология является наукой о доме, в котором мы живем. Поэтому в зависимости от того, что мы считаем своим домом, меняется смысл этого понятия. В общепринятом смысле под экологией понимают науку об организмах, населяющих Землю, в которой особое внимание уделяется совокупности или характеру связей между организмами и окружающей средой. Другими словами, экология - это наука о надорганизменных системах, то есть о «надсистемах» или «метасистемах».

Такое понимание экологии делает ее очень широкой наукой. Традиционно под организмами мы понимаем многоклеточные существа или же простейшие одноклеточные, тогда в роли надорганизменных систем выступают экосистемы. Однако само многоклеточное существо является в некотором смысле четко организованной колонией одноклеточных существ. Поэтому все процессы внутри многоклеточного организма также, в принципе, охватываются данным определением экологии (онкоэкология). Более того, сама клетка может рассматриваться как некая четко упорядоченная система сложномолекулярных соединений (молекулярная экология). С другой стороны, экология имеет также тенденцию к расширению своего предмета в сторону изучения систем более высоких иерархических уровней. Так, например, биосфера рассматривается как система, объединяющая в себе все локальные экосистемы Земли. Некоторые специалисты всерьез заявляют, что не только верхняя оболочка планеты пронизана жизнью, но вся планета, возможно, является грандиозным живым существом. Если это так, то мы должны в корне изменить не только свое отношение к планете, которая нас породила, но и все свое мировоззрение. В этом состоит главная задача данного курса.

Любая наука становится точной, когда удается сформулировать необходимый минимум аксиом, законов, на которые она опирается. Эти аксиомы со временем могут уточняться или отвергаться. Наука от этого вовсе не разрушается, а лишь развивается. Аксиомы придают однозначность научным знаниям, поэтому на определенном этапе они необходимы, чтобы выстроить все накопленные факты в единую систему. После такой систематизации данная наука позволяет находить ответы на многие вопросы.

Данный курс опирается на аксиому, обоснование которой будет дано в свое время: Земля есть живое существо космических масштабов. Это скорее даже не аксиома, а следствие более глубоких законов и принципов построения Вселенной, рассмотрение которых, вообще говоря, выходит за рамки курса экологии, с которыми, тем не менее, мы вкратце познакомимся. Это необходимо, потому что только такой подход к вопросам экологии позволяет понять место и роль человека на планете, а также суть проблем, с которыми столкнулось человечество на рубеже тысячелетий.

В курсе экологии мы попытаемся если не понять, то, по крайней мере, наметить направление, в котором следует искать понимание проблем, вставших перед человеком. Для этого придется разобраться в том, что представляет собой жизнь вообще, как она зародилась, каковы ее цели и перспективы. А это невозможно без понимания законов, лежащих в основе динамики Вселенной. Другими словами, под «домом» в понятии экологии мы будем подразумевать не столько ту нишу, которую занимает сейчас современный цивилизованный человек, которую более правильно можно назвать «техносферой», и даже не Землю в целом, а всю Вселенную.

Это идет несколько вразрез с основной концепцией современной экологии. Однако сейчас уже наблюдается существенный прогресс в преодолении сложившегося у основной массы людей стереотипного представления об экологии как науки, которая делает акцент на круге задач, связанных с природоохранными мероприятиями. По большому счету, экология имеет очень мало общего с охраной природы, так как последняя проникнута в основном экономическими чаяниями человека. Поэтому, как это не парадоксально, некоторые мероприятия по охране природы не соответствуют законам экологии.

Специфика современной экологии состоит именно в том, что она вышла далеко за пределы чисто биологической науки. Современная экология вобрала в себя знания из самых разных наук от физики, химии, биологии до социологии, психологии и философии. В настоящее время экология представляет собой достаточно разветвленную науку, все разделы которой в рамках одного курса охватить невозможно.

1.2. Экологическая катастрофа

Любой курс требует обоснования его актуальности. Актуальность курса экологии практически не вызывает сомнений ни у кого. Связано это в первую очередь с надвигающейся на нас глобальной экологической катастрофой.

В пору своего «детства» человечество неразрывно связывало себя с природой. Оно видело в природе проявление целесообразности, а потому наделяло ее качествами живого организма. На этой почве расцветало язычество, обожествлявшее отдельные стороны окружающей действительности. Некоторые истины древности мы поновому открываем уже сейчас. По сути дела, мы подходим к тому же самому, от чего ушли тысячелетия назад: к осознанию нашего единства с природой. Но мы подходим к этому на новом более высоком уровне понимания. Мы обогатились опытом борьбы с природой, доведя ее до крайне нелепых форм, после чего стала предельно ясна порочность выбранного пути, ведущего к самоуничтожению.

Человек, являясь самым сильным существом на планете и, не имея поэтому серьезных врагов, выделился из природной среды и противопоставил себя ей. При этом человек посчитал себя хозяином планеты, забыв, что не планета существует для него, а он для планеты. Во главу угла были поставлены собственные интересы человека, что вылилось в благородное на первый взгляд движение гуманизма, девиз которого: «Все во имя человека! Все во благо человека!». При этом по отношению к природе цели человека были сформулированы достаточно жестко: «Мы не можем ждать милостей от Природы, взять их у нее - наша задача».

Только недавно мы начали понимать, что истинный гуманизм немыслим без единства человека и природы. Более того, в противоречивых отношениях между человеком и природой именно человек должен играть подчиненную роль. Попытки возвыситься над природой и решить свои проблемы за счет остальной части живого мира неизбежно ведут сначала к духовной деградации, а затем к гибели. Если какая-либо подсистема организма станет переделывать его в целях достижения более комфортных для себя условий существования, то гибнет весь организм вместе с данной подсистемой. Эта болезнь называется рак. Не случайно многие называют сейчас современное человечество раковой опухолью на теле планеты Земля.

В том и состоит основная причина фатальной неизбежности надвигающейся экологической катастрофы, что она внутри нас, и бесполезно говорить о безотходных производствах и о вложении денег в защиту природы, пока все наши устремления направлены на обогащение. Отдельные мероприятия по охране природы, на которые возлагаются ныне надежды экологов всего мира, могут лишь несколько затормозить приближение катастрофы, но остановить ее они не в силах, потому что сами проникнуты идеей защиты человека и только человека, оставляя за остальной частью природы лишь роль необходимого фона для благополучия человека.

Именно поэтому все чаще повсюду в мире звучит призыв к перестройке своего мировоззрения, к смене целевых установок человечества. Но как их перестроить? В каком направлении?

«Грехопадение» человека, по-видимому, несет в себе определенный вселенский смысл. На ошибках учатся, и именно здесь наше спасение. Только осознав всю глубину своего падения, человек способен вновь обрести гармонию с природой. И в отличие от Адама уже ничто не сможет вывести его из этого состояния. Но перед этим, судя по всему, нам предстоит пройти через апокалипсис.

Внимание к экологии было привлечено неожиданным образом. Хотя экология как самостоятельная научная дисциплина возникла около ста лет назад, на нее смотрели как на одно из специфических подразделений биологии. Курсы экологии имелись только в программе подготовки биологов. Положение резко изменилось в течение двух лет с 1968 по 1970 годы. В апреле 1968 года группа в 30 человек из 10 стран собралась в Риме по инициативе итальянского специалиста в области управления промышленностью, экономиста доктора Артура Печчеи. В эту группу входили ученые-естественники, математики, экономисты, социологи, промышленники и другие специалисты. Их целью было обсудить проблемы, стоящие перед человечеством. Так был создан «Римский клуб».

Он заказал серию докладов под общим названием «Затруднения человечества». Первый доклад, составленный Деннисом и Донеллой Медоузами с использованием методики системного анализа Джея Форрестера, назывался «Пределы роста». Его основной вывод: «Промышленный рост и потребление ресурсов будут продолжать увеличиваться ускоряющимися темпами наряду с ростом численности населения и увеличением потребления энергии до тех пор, пока не будет достигнут некий предел; затем произойдет катастрофа». Этот доклад вызвал огромный резонанс в обществе, после чего понятие «экологическая катастрофа» прочно вошло в наш лексикон. Были и другие более сдержанные и более детальные доклады, которые намечали пути достижения некоторого устойчивого развития человечества, но вывод остался прежним: если человечество не ограничит свои запросы, то его ждут тяжелые времена.

Мы живем в эпоху глобальной экологической катастрофы. Человечество веками меняло ландшафт планеты, уничтожало растительный и животный мир, расходовало энергетические ресурсы, накопленные планетой за миллиарды лет. Но те скорости и ускорения, которые развиты в настоящий момент, не оставляют практически никаких иллюзий в плане нашей дальнейшей судьбы. Благодаря достижениям техники мы теперь меньше зависим от природы в своих насущных потребностях, забывая, что мы органически связаны с ней. Человек ценит вещи, изготовленные им самим, не замечая того, что даром берет от природы. Мы склонны принимать эти блага, как само собой разумеющееся, пока не наступит кризис.

Нет смысла перечислять все проявления кризиса. Остановимся лишь на тех, которые наиболее красноречиво свидетельствуют о неуклонном приближении событий, аналогов которым не было в исторически обозримом прошлом. В первую очередь это касается экспоненциального роста численности населения.

Согласно современным археологическим данным, в начале неолита (порядка 10000 лет назад) на планете жило около 10 миллионов человек. На первое удвоение численности потребовалось 2500 лет, на второе - 2000, на третье - 1500, ... , на восьмое - 100 лет (с 1850 по 1950 годы численность возросла с 1,25 миллиарда человек до 2,5 миллиардов), девятое -37 лет (в 1987 году нас было 5 миллиардов). Если продолжить эту тенденцию, то следующее удвоение до 10 миллиардов ожидается где-то в 2010 году, в 2100 году ожидается около 54 миллиардов.

Правда, судя по всему, эта тенденция начинает давать сбой, свидетельством чему является снижение рождаемости в Европе и России. Но эти страны мало влияют на ситуацию, так как основной прирост населения дают страны Азии и Латинской Америки. Значительные темпы прироста населения начинает набирать и Африка. Судя по динамике роста численности населения, не за горами те времена, когда определяющую роль в демографической проблеме будут решать не страны Азии, как это имеет место сегодня, а страны Африки и Латинской Америки. Все это свидетельствует о том, что в ближайшее время количество людей на Земле будет расти. Если учесть также темпы роста производства, обеспечивающего растущие потребности растущего количества людей, то можно смело прогнозировать, что буквально в ближайшие десятилетия давление человека на биосферу превысит все мыслимые пределы.

Наиболее оптимистичные подсчеты показывают, что в условиях Земли при существующем отношении человека к природе длительно и устойчиво может существовать не более одного-двух миллиардов людей. Превышение этой цифры оказывается возможным только за счет использования человеком накопленных Землею быстро исчерпаемых ресурсов. Несмотря на все разговоры о защите окружающей среды, поверхность Земли ускоренными темпами очищается от растительного и животного мира, истощаются природные ресурсы, загрязнение окружающей среды по многим показателям превышает пределы, после которых процессы деградации становятся необратимыми.

Ситуация напоминает распространение по организму планеты вирусной инфекции, в результате чего, как известно, зараженный организм либо гибнет, либо очищается. Любой из этих исходов грозит человечеству грандиозной катастрофой. И, возможно, Земля уже начинает защищаться, привлекая для этого отлаженные миллионами лет механизмы гомеостаза. Свидетельством этому являются возрастающие тенденции человека к самоуничтожению, иногда возведенные в ранг идеологии. И не только на уровне отдельных личностей, но и на уровне человечества в целом. На это указывают наши успехи в области создания новейшего оружия, особенно ядерного, химического, биологического, а также широко рекламируемые сомнительные достижения микробиологии, генной инженерии, психокодирования и прочее. Человек становится врагом самому себе. Такие тенденции обычно рассматриваются как признаки помешательства. Связано это, вероятно, с тем, что изменения экологического равновесия, вызванные нашей жизнедеятельностью, в первую очередь бьют по наиболее уязвимым системам человеческого организма - по его психике, разуму, душе.

Признаки деградации человечества можно наблюдать на примере роста криминальных структур, неоправданного насилия, сексуальной развращенности, бездуховности, апатии и т.п. Именно эта сторона экологического кризиса сейчас выходит на первый план. Если экологи «дают» нам еще 100…200 лет существования, то «социальная катастрофа» грозит разразиться в ближайшие 20…30 лет.

Среди возможных причин грядущей катастрофы на одно из первых мест выходит случайность. Человек аккумулировал огромные силы, создал сложнейшую технику, управляющую этими силами, вручив, по сути дела, свою судьбу в руки машин. Но опыт показывает, что чем сложнее техника, тем более склонна она к отказам и сбоям. В системах, находящихся на грани равновесия, любая флуктуация может привести к неожиданным последствиям. Чернобыльская катастрофа – это один из подобных сюжетов развития событий.

Может ли человек остановить катастрофу? Для этого ему придется от многого отказаться. По поводу будущего цивилизации американский специалист по системной динамике Джей Форрестер выразился так: «"золотой век" цивилизации уже позади, у человечества имеется только одна альтернатива - отказ от надежд на дальнейший рост благосостояния или экологическая катастрофа; лучше экономическая стагнация, чем экологический кризис».

Однако отказ от материального процветания, тем более в условиях нарастающего экспорта идеалов «западного образа жизни», идеологии насилия, разврата, цинизма, по меньшей мере, сомнителен.

На проходившей в 1992 году в Рио-де-Жанейро Международной конференции ООН по проблемам планеты Земля особо подчеркивалось наличие двух расширяющихся пропастей, лежащих в самой сердцевине современного кризиса: пропасти между человеком и природой и пропасти между богатыми и бедными. Особенно ярко это проявляется в отношениях между разными странами, что является основной причиной обострения межрегиональных конфликтов. Перед развитыми и развивающимися странами стоят совершенно различные задачи. И если «сытые» обеспокоены вопросами защиты окружающей среды, то «голодным» просто не до этого.

Вообще эта конференция оставляет неоднозначное впечатление. С одной стороны, она является безусловным шагом вперед к пониманию стоящей перед нами опасности. Более того, она выработала так называемые «принципы устойчивого развития» мира. В то же время ее материалы свидетельствуют об утопичности всех благих намерений. Уже в самой работе конференции обнаружились тенденции к непониманию странами друг друга. Все согласны, что нужны новые природосберегающие технологии. Но развитые страны не склонны уступать эти технологии за бесплатно, а развивающиеся страны не только не имеют средств на их приобретение, но, даже получив их бесплатно, не смогут ими воспользоваться из-за отсутствия необходимых для этого источников высококачественной энергии и грамотных специалистов. Кроме того, развивающиеся страны просто не хотят слышать о сохранении природы, если это может помешать их экономическому росту.

Поэтому все согласны, что экологическую проблему невозможно решить, не решив проблему выравнивания уровня жизни людей планеты. Но поднять уровень жизни в развивающихся странах до уровня развитых стран невозможно, хотя бы даже по экологическим соображениям - природа не выдержит такой нагрузки. Остается возможность выровнять то, что есть. При этом «сытые» должны в среднем в 10 раз уменьшить уровень потребления. Кто из них согласится на это? Если же не решить этого вопроса, то бесполезно говорить о развитии природосберегающих технологий.

Напрашивается неутешительный вывод: катастрофа неизбежна, вопрос лишь в сроках и в конкретных проявлениях. Мы должны представлять сложившуюся ситуацию, ее причины, а также тот объем проблем, которые, возможно, встанут перед человеком уже в ближайшем будущем.

Всегда есть надежда, что правильный выход будет найден и человек обеспечит себе будущее, избежав участи динозавров. Для этого, возможно, потребуется в корне пересмотреть все свои ценности, свое мировоззрение.

В курсе экологии мы попытаемся сформулировать основные законы и принципы гармонии сложных систем. Человек, обладающий такими знаниями, способен изменить свое отношение к миру, войти в гармонию с природой, а значит, сможет прогнозировать критические ситуации и оперативно принимать правильные решения.

ПОВТОРИМ

  1. Дать понятие науке экология.
  2. История «Римского клуба».
  3. Экологическая катастрофа.
  4. Темпы роста численности населения.
  5. Выравнивание уровня жизни людей планеты – ключевая проблема экологии.

Глава 2

СИСТЕМНОСТЬ В ПРИРОДЕ

Без понимания сути феномена жизни нам не понять причин противостояния человека и природы, то есть не найти истоков экологического кризиса, а значит, не уйти от катастрофы, грозящей не только человечеству, но и жизни в целом на планете Земля. Много говорится о том, что человек должен жить в гармонии с природой. Но что это значит - жить в гармонии? Современный человек уже не похож на своих предков, которые жили по принципам веры, его не соблазнишь красивыми призывами, он требует доказательств и обоснований.

Действительно, зачем нам природа? Мы превратим Землю в пустыню, но взамен украсим ее изысканными архитектурными сооружениями. А уж если совсем станет невмоготу от перенаселенности, то мы начнем осваивать космос, неся ему блага земной цивилизации. А если космос нас не пустит? Много ли мы знаем о нем? Да и сможет ли человек длительно существовать в условиях космических станций и пресловутых “городов под куполом”, на которые возлагается сегодня так много надежд? Ведь недаром же один из законов экологии гласит: «Любые попытки человечества решить свои проблемы в одиночку, без сохранения всего разнообразия жизни даже самыми современными и фантастическими средствами, однозначно не состоятельны».

Современный человек требует доказательств, только в этом случае он в состоянии изменить свое отношение к природе. Доказательства же эти можно получить, только осознав суть феномена жизни. Кто мы? Откуда мы? В чем наше предназначение? Современная наука только начинает приближаться к пониманию этих вопросов. И ответы на них, судя по всему, лежат на пути развития системного подхода к пониманию явлений природы.

2.1. Механистический и системный подходы в науке

Давно подмечено, что к пониманию сути явлений можно идти двумя путями: редукционистским и холистским.

Редукционизм предполагает необходимость разложения явления на составляющие его детали, механизмы и прочие частности. Считается, что, зная механизмы данного явления, мы можем судить о явлении в целом, а значит, прогнозировать его, воспроизводить и использовать в практике.

Холизм исходит из наличия факта существования самого явления как некой целостности, не вдаваясь в вопросы о механизмах его реализации. Зная особенности этой целостности, можно прогнозировать свойства элементов, из которой она состоит.

В частности в физике, можно выделить два класса законов природы:

  • дифференциальные (например, второй закон Ньютона, уравнения Максвелла и т.п.);
  • интегральные (например, законы сохранения энергии, импульса и т.п.).

В экологии также прослеживаются две тенденции к изучению явлений:

  • популяционный, рассматривающий природу как совокупность взаимодействующих друг с другом популяций различных видов растений и животных;
  • экосистемный, исходящий из факта целостности и единства экосистемы, как некоего слаженного организма.

И в этом плане, например, нет принципиальных отличий между многоклеточным организмом, как четко упорядоченной системой одноклеточных существ, и социальным организмом, то есть системой многоклеточных существ. Именно на понимании природы как единого организма построен данный курс экологии.

Впервые достаточно последовательно и продуманно редукционистский подход использовал в научной деятельности Исаак Ньютон, и тот достаточно хорошо себя оправдал. Всеми достижениями современной цивилизации мы обязаны именно редукционистскому подходу. Этому способствует ряд его достоинств, основанных на понятии моделирования.

Построению любой модели предшествует процесс изучения реального объекта - оригинала. В результате мы выявляем его наиболее существенные стороны. Этот процесс называется анализом. Затем мы воспроизводим выявленные стороны оригинала в модели, после чего модель оказывается подобной оригиналу с точностью до отсеянных несущественных деталей. Этот процесс называется синтез.

Изучая реальное явление, мы не можем учесть всех связей, поэтому вы-деляем только наиболее существенные его стороны, не учитывая второстепенных. Поэтому модель всегда отражает процессы, протекающие в оригинале, лишь с определенной степенью точности. Это разгружает модель от несущественных деталей, позволяя добиться четкого и ясного понимания некоторых конкретных механизмов реальных явлений.

В то же время в модели не находят отражение такие стороны явлений, которые человек либо посчитал несущественными, либо упустил из внимания. Поэтому моделирование никогда не дает абсолютно точного результата. Всегда есть вероятность существенной ошибки. И, тем не менее, достигаемая точность оказывалась, как правило, достаточной для технической реализации полученных знаний.

Успех редукционизм породил в науке так называемый механистический подход к пониманию явлений природы, в основе которого лежат четыре его наиболее основополагающих принципа:

  • редукционизм - первопричины всех явлений лежат в поведении элементов, из которых построено явление; знание законов микромира определяет уровень наших знаний макроявлений;
  • экспериментальность - все можно измерить (дать количественную оценку), неизмеряемым сущностям нет места в науке;
  • повторяемость - научным считается только такой результат, который может быть повторен в других лабораториях и прочих научных подразделениях;
  • антителеологичность - все, что кажется целенаправленным, можно объяснить действием естественных «слепых» законов природы.

Благодаря своим успехам в исследовании вещественно-энергетических качеств природы, механистический подход прочно утвердился в психологии не только ученых, но и людей, далеких от науки. Однако сложившиеся стереотипы мышления до сих пор не позволяют сдвинуться существенно в понимании так называемых «сложных систем», к числу которых, в частности, относятся все биосистемы, поведение которых не удается объяснить в рамках механистического подхода.

Особенность сложных систем - существенная взаимосвязь их свойств. Поэтому однофакторные эксперименты над сложными системами не эффективны, а многофакторные не позволяют выявить простых законов, которым бы подчинялись сложные системы, и которые абсолютизирует механистический подход. Многие свойства сложных систем оказываются понятными только при рассмотрении систем как единого целого, которое, в принципе, невозможно разложить на составляющие.

И, тем не менее, надежды ученых всего мира понять феномен жизни, исходя из принципов редукционизма, живы и по сей день. Поэтому мы пытаемся досконально изучить строение тел живых организмов, строение клеток, из которых они построены, строение молекул и т.п. Мы уже добились впечатляющих успехов. Мы знаем, какие участки мозга управляют различными подсистемами организма. Умеем вызывать у подопытных животных чувство наслаждения или раздражения, возбуждая определенные центры мозга. Но до сих пор от понимания ускользает природа целесообразности, в соответствии с которой происходит организация взаимодействия всех подсистем организма, и не только организма, но и природы в целом. И уж совсем за рамками понимания остаются феномены идеальных образов, творимых человеком для понимания мира и управления своим организмом.

Оказывается, что попытки понять мир, только исходя из принципов редукционизма, изначально несостоятельны.

Еще в древности был сформулирован принцип единства Вселенной: все явления Вселенной находятся в тесной и неразрывной взаимосвязи. То есть любое явление, любое изменение «сигнализирует» о себе во все «уголки» Вселенной. Современная наука с этим полностью согласна. Например, одной из моделей электрона является «облако вероятностей», то есть нечто, «размазанное» по всей Вселенной, что позволяет в принципе обнаружить данную частицу в любой сколь угодно далекой точке, но с разной вероятностью. Вся Вселенная погружена в это облако, и любое явление воздействует на него. Свойство заполнять собой всю Вселенную можно распространить на любое явление природы, которое оказывается связанным с другими явлениями бесконечным количеством связей. Если мы не учтем все связи, то не получим полного знания о данном явлении, а значит, заранее обречены на непонимание, ошибку в своих рассуждениях.

Но рассудок не в состоянии вместить в себя всю бесконечность многообразия связей данного явления, поэтому изначально предполагает наличие ошибки. В основе этой ошибки лежит склонность нашего рассудка к точности и непротиворечивости знаний. Именно эта идея заложена в самом фундаменте механистического подхода.

Но, как оказалось, попытки понять мир, опираясь на непротиворечивые системы знаний, противоречат самим законам логики. Впервые формально точно это было показано К. Геделем. В 1931 году он на примере арифметики как одной из точных систем знаний дал доказательство так называемых «теорем о неполноте»:

  • если арифметическая формальная система непротиворечива, то она неполна;
  • если арифметическая формальная система непротиворечива, то не существует доказательства ее непротиворечивости, проведенного средствами, формализуемыми в этой системе.

То есть попытки построения любой полной и одновременно точной и непротиворечивой системы знаний неразрывно связаны с появлением предложений, и утверждение, и отрицание которых в равной степени формально выводимо в этой системе, а именно: некоторое предложение А формально доказуемо тогда и только тогда, когда доказуемо и его формальное отрицание не-А. Данное противоречие может быть разрешено только со стороны некоторой метаобласти (надсистемы) по отношению к данной системе. В качестве такой метаобласти, то есть в качестве беспристрастного судьи, обычно выбирается природа. Человек ставит эксперимент, и сама природа, как ему кажется, однозначно определяет, какое из предложений - А или не-А - является истинным. Такое предложение затем вносится в данную систему знаний в качестве аксиомы, закона природы, то есть без доказательства, как данность.

Как оказалось, подобные противоречивые формулы возникают всякий раз, когда мы пытаемся сформулировать в рамках данной теории какое-то глобальное обобщение, то есть придать данной системе знаний полноту, выраженную в глобальной формуле, из которой можно вывести любое частное знание. Наиболее простой и распространенный пример - парадокс лжеца: «Все, сказанное мною, есть ложь». Если я действительно такой лжец, то, по крайней мере, в этой фразе я говорю правду; но, значит, не все, сказанное мною, есть ложь. Попытка обобщения приводит к отрицанию исходной аксиомы «я лжец». Поэтому, идя путем точных знаний, мы обречены на их бесконечную множественность, не дающую нам право сделать глобальное обобщение, чтобы одной стройной формулой или теорией объяснить мир или хотя бы одно из явлений этого мира. Но бесконечность это слишком много, рассудок не в состоянии познать мир без обобщений. Поэтому мы должны смириться с тем, что природа изначально противоречива. Но, может быть, довериться эксперименту, который расставит все по своим местам и снимет противоречие?

Как оказалось, природа также не может выступать в роли беспристрастного судьи. Так, одна группа экспериментов может однозначно свидетельствовать в пользу волновой природы света, другая же - в пользу корпускулярной. Но две эти теории взаимно исключают друг друга, как А и не-А. Похоже, что противоречивость лежит в самой основе мироздания.

Впервые к этому выводу пришла квантовая теория, когда один из ее основателей Н. Бор сформулировал, так называемый, «принцип дополнительности». Согласно этому принципу понять явление можно, только применив для этого взаимоисключающие классы понятий, которые могут использоваться обособленно в зависимости от конкретных условий, но только взятые вместе дают полное знание о данном явлении. Примером применения данного принципа является признание двойственной корпускулярно-волновой природы микрочастиц.

Таким образом, в понимании любого явления мы можем выявить, по крайней мере, две абсолютно отрицающие друг друга точки зрения, каждая из которых будет по-своему верна (будет иметь своих убежденных сторонников), но в отдельности они будут отражать только часть истины. И только в компромиссе между обеими точками зрения лежит полное понимание сути явления. Здесь наука вплотную столкнулась с давней философской концепцией дуальности и противоречивости мира (инь и ян).

Распространение принципа дополнительности и квантованности на категории пространства и времени позволили сформулировать вывод о том, что на субквантовом уровне весь мир существует как «неделимая единица» (Д. Бом). То есть стоит выйти за определенные достаточно малые пространственно-временные размеры, как мир теряет свойство множественности и разделенности на относительно обособленные элементы (тела, объекты и т.п.) и предстает как нечто физически неделимое, сплошное, как целое, единица, монада.

Фактически о мире нельзя утверждать ни то, что он есть нечто множественное, ни то, что он есть только единое (принцип дополнительности). Его множественная структура несомненна на уровне макромира, но по мере углубления в микромир все более обнаруживается относительность выделенности и самостоятельности элементов мира, пока, наконец, не исчезает всякое различие на субквантовом уровне (при приближении к планковской длине порядка м; меньше этой длины в природе не существует, так как в этих масштабах само понятие пространства теряет смысл), где обнаруживается противоположная и дополнительная сторона мира, как «неделимого целого». Судя по всему, эта же сторона мира выходит на первый план, когда мы пытаемся охватить единым пониманием и структуры мегамира, в частности, Вселенную в целом.

Это значит, что наряду с очевидной для нас стороной мира, как нечто множественного, то есть некоторого пространственно-временного континуума, в который погружен материальный мир, состоящий из множества вещей, объектов, явлений и т.п., следует ожидать проявления в нем таких особенностей, для которых понятие множественности абсолютно неприменимо. То есть можно ожидать наличие таких систем отсчета, в которых весь мир представляется как единое и органичное целое. В этом и состоит основа холистского подхода к пониманию мира. Древние знали об этом. Так в гимнах Ригведы говорится: «Едино то, что стало всем».

Можно бесконечно спорить о том, является ли Вселенная единым живым организмом, обладающим всеми качествами, присущими всем живым существам (в частности и личностными качествами, вплоть до индивидуальности и разумности), или же Вселенная является удачно организованной совокупностью физических явлений. Обе эти стороны имеют массу подтверждений, о чем свидетельствует огромное количество сторонников той и другой точек зрения. Поэтому согласно принципу дополнительности обе эти стороны, вероятно, присутствуют в реальности, но ни одна из них в отдельности не отражает всей полноты мироздания.

В науке холистский путь к пониманию сути явлений нашел воплощение совсем недавно, когда были сформулированы принципы так называемого системного подхода, дополняющие собой принципы механистического подхода. Системный подход является новым этапом в развитии методов познания. Его основное положение - природу можно понять только как систему, противоречивую в самой себе. А это значит, что любое однозначное понимание явлений природы, любое утверждение, каким бы убедительным оно не казалось, отражает лишь одну точку зрения и совершенно неприемлемо в каких-то других специфических условиях. Любая монополия на истину всегда ущербна и ведет к неполноте данной системы знаний, а в перспективе - к заблуждению.

Если бы в структурах организмов живых существ была заложена противоречивость мира во всей ее полноте, то, возможно, они не смогли бы нормально функционировать, потому что в организме все должно быть тесно и однозначно взаимосвязано. Излишняя случайность и неоднозначность губительны для физиологии живого организма. Тем и отличается живой мир от неживого, что он асимметричен. В нем одна сторона мира преобладает над другой.

Природа по-своему сгладила это несовершенство жизни, она «изобрела» видовое разнообразие. Каждый отдельный организм не способен нести в себе всю полноту информации об окружающем мире. Но чем разнообразнее формы отдельных организмов, тем ближе живой мир к совершенству. Только природа в целом способна приблизиться к совершенству, каждый отдельный организм вынужден смириться со своим несовершенством.

На уровне конкретного вида ущербность живых организмов существенно компенсируется половой дифференциацией. Только благодаря «изобретению» дифференциации полов природа смогла создать устойчивые сложные организмы. Каждое из существ двуполой пары, например, мужчина и женщина, по-своему однозначны и предсказуемы, но они абсолютно противоположны друг другу и взаимодополняют друг друга не только по строению тела, но и по своим функциям в природе и обществе и по своему отношению к миру. Образно это можно представить в виде двух векторов и , ортогональных друг к другу (рис. 2.1), а потому их проекции друг на друга (понимание, подобие) равны нулю. Поэтому так типичны семейные неурядицы, вызванные абсолютной противоположностью и взаимным непониманием супругов. Но именно в этом сила семьи, так как семья способна вместить противоречивость мира.

Любое внешнее природное явление Х (явление само по себе, как оно есть, вещь в себе, инвариант) дает свои проекции на менталитет мужчины () и женщины (). Каждый из них воспринимает свою составляющую инварианта. В зависимости от соотношения проекций, то есть в зависимости от того, как ориентирован вектор Х к ортогональному базису семьи, один из супругов более уверен в правоте своей оценки, другой менее уверен. В результате рождается компромисс, который позволяет сделать семье единственно правильный шаг. На этот шаг не способен однозначно мыслящий одиночка, который будет видеть всегда только свою составляющую инварианта и, всегда идя в одном направлении, он обязательно придет к ошибке, возможно, даже к собственной гибели. Потому что инвариант динамичен, вектор Х находится в постоянном движении, и нужно всегда уметь оценить его положение. Сила семьи в ее противоречивости.

Рис. 2.1

В условиях многообразия мнений (многомерный базис) цивилизация в целом, в принципе, может обладать достаточной полнотой истины. Однако в современной цивилизации наметился явный крен в сторону однополярности мира, где на первый план выходит идеология материального обогащения. При этом вторая, духовная сторона человеческого бытия, которой изначальна чужда логика обогащения, все больше «материализуется» и приобретает прагматический оттенок. Поэтому наша цивилизация в целом все ближе к пропасти. Выход из этой порочной ситуации состоит в выработке новых принципов, которые могли бы быть положены в основу новых мировоззренческих платформ каждого отдельного индивидуума, которые несли бы в себе внутреннюю противоречивость как особый стержень нового мировоззрения. Именно в этом состоит основная цель развития системного подхода в науке.

Слово «система» в переводе с греческого означает «целое, составленное из частей». В общепринятом смысле под системой понимают совокупность явлений, находящихся в определенных отношениях и связях между собой и образующих определенную целостность.

Оказывается, что в свойствах и поведении сложных систем независимо от их природы прослеживаются четкие аналогии. В конце сороковых годов Берталанфи предложил программу построения «Общей теории систем» (ОТС). Эта цель пока не достигнута. Но уже сейчас разработаны принципы системного подхода к анализу всевозможных явлений. В частности эти принципы легли в основу системной динамики, разрабатывающей и исследующей модели сложных систем. Именно на основе системной динамики в настоящее время ведется поиск новой научной парадигмы (платформы), которая позволила бы сформулировать законы, общие как для неживой, так и для живой природы.

2.2. Свойства сложных систем

Наиболее общей системной закономерностью является закон подобия части и целого: часть является миниатюрной копией целого, а потому все части одного уровня иерархии систем похожи друг на друга.

Этот закон известен из глубины веков. Так еще основатель тайного (герметического) учения (магии) Гермес Трисмегист сформулировал основы любого знания в форме «Изумрудной скрижали», которая гласит: «Истинно. Несомненно. Действительно. То, что находится внизу, подобно находящемуся наверху, и обратно, то, что находится наверху, подобно находящемуся внизу, ради выполнения чуда единства. И как все вещи были и произошли от одного, точно также все вещи начались в этой единственной вещи, посредством применения».

Античные мудрецы говорили, что «микрокосм есть отражение макрокосма». Говоря современным языком, человек как «маленькая Вселенная» голограммно несет в себе всю «маточную» универсальность и полноту «большой Вселенной».

В экологии принцип подобия части и целого представлен множеством частных законов, например, принципом экологического соответствия: строение организмов данного вида соответствует экологической нише, которую он занимает. Причем в аналогичных условиях формируются подобные друг другу экосистемы, имеющие одинаковый набор экологических ниш (явление экологического параллелизма). Принцип экологического соответствия тесно связан с принципом естественного отбора Ч. Дарвина: в условиях конкуренции наибольшие шансы на выживание имеют организмы, наилучшим образом адаптированные к окружающей среде.

В формулировке Мюллера и Геккеля частный случай закона подобия части и целого известен также как биогенетический закон: онтогенез (индивидуальное развитие особи) повторяет филогенез (историческое развитие вида). Ярким подтверждением данного закона является эмбриогенез: развитие эмбриона повторяет формы, через которые данный вид прошел в процессе своей эволюции. Для человека этот закон можно, вероятно, дополнить: ноогенез (формирование мышления) каждого человека повторяет антропогенез, то есть исторический процесс формирования мышления и мыслительного аппарата всего человечества (человека-разумного). Если учесть, что фазе эмбриогенеза, как этапу формирования многоклеточного существа, предшествует формирование одноклеточного существа (яйцеклетки), можно предположить, что формирование человека повторяет весь ход эволюции Вселенной (по крайней мере, начиная с синтеза биомолекул).

В более общей формулировке этот закон читается как системогенетический закон (Н.Ф. Реймерс): природные (а возможно, и все) системы в индивидуальном развитии повторяют в сокращенной и нередко в закономерно измененной и обобщенной форме эволюционный путь развития данного вида систем. Этому закону подчиняются, например, минералогические процессы, которые в короткие интервалы времени как бы повторяют (в измененном виде, со своими «акцентами») общую историю геологического развития Земли (геогенетический закон Д.В. Рундквиста).

Именно системогенетический закон рождает, как следствие, закон последовательности прохождения фаз развития: фазы развития природной системы могут следовать лишь в эволюционно и функционально закрепленном порядке, обычно от относительно простого к сложному, как правило, без выпадения промежуточных этапов, но, возможно, с очень быстрым их прохождением или эволюционно закрепленным отсутствием. Насильно убрать какую-то из фаз развития практически невозможно. Поэтому когда-то на стадии эмбриона у каждого из нас были жабры, которые достаточно быстро атрофировались. Они нам не нужны, но выбросить этот этап из эмбриогенеза невозможно.

Вообще, если какая-то часть (подсистема) не подобна системе в целом, то она входит в дисгармонию с другими подсистемами и с системой в целом. Такое состояние является неустойчивым, и поэтому такая подсистема либо изменяется и входит в гармонию с целостностью (адаптируется), либо разрушается. Длительно и устойчиво существуют только системы, несущие в себе подобие с метасистемами, в состав которых они входят. Именно это состояние несет в себе гармонию.

Под гармонией понимается наиболее оптимальное сочетание противоречивых сторон в едином целом. По определению одного из пифагорейцев, Филолая, гармония есть «согласие разногласного». Это такое сосуществование нескольких подсистем в рамках единого целого, при котором достигается минимальное количество противоречий (конфликтов, противостояний, напряжений). В физике подобное состояние называется энергетически наиболее выгодным. Это состояние с наименьшей потенциальной энергией взаимодействия подсистем. В экологии это состояние с наименьшим количеством конкурентных отношений. Как это ни парадоксально, конкуренция - это довольно редкое явление в природе, и оно характерно лишь для некоторых довольно кратковременных промежутков времени, когда в экосистеме возникает какое-либо возмущение. Например, появление нового вида животных, как это было с кроликами в Австралии - это всегда вызывает переходные процессы, направленные на уменьшение конкуренции. При этом какие-то виды должны уступить другим, то есть либо измениться и занять другую экологическую нишу, либо уйти из данной экосистемы, либо погибнуть. Виды, занимающие разные экологические ниши практически не конкурируют.

В состоянии гармонии заложена изначальная противоречивость мира. Многочисленные исследования показывают, что состояние гармонии достигается, когда количество предсказуемого (подчинение системным законам) в поведении элементов системы и непредсказуемого (свободы выбора) соотносятся друг с другом в «золотой пропорции» ( = 0,618). Вообще «золотая пропорция» это есть такое деление единого целого на две части, при котором меньшая часть (ассоциированная со свободой выбора) относится к большей (ассоциированной с системными законами) так же, как большая часть относится к целому. Именно в меньшей части в полной мере сохраняется подобие с целым, то есть она в свою очередь может быть поделена на аналогичные составляющие свободы и закономерности.

Только те элементы системы, которые несут в себе «золотое» соотношение между «свободой выбора» и закономерностью могут устойчиво существовать длительное время, то есть обладают живучестью. Любое отклонение от «золотой пропорции» ведет к саморазрушению данной подсистемы. Это относится к системам любой природы, в том числе и идеальной. Например, статистические исследования произведений классиков литературы показывают, что количество неожиданного, нового, авангардного в их произведениях соотносятся с законами жанра (например, законы стихосложения, рифма, ритмичность и т.п.) в пропорции, тяготеющей к «золотому сечению».

Особенно характерно подчинение закону гармонии для биосистем, которые буквально «напичканы» золотыми пропорциями. Не случайно магическим символом жизни считается пентаграмма (пятиконечная звезда), в которой можно насчитать более двухсот золотых сечений. Вообще пятеричная симметрия характерна для биосистем. Например, в неживой природе практически не используются кристаллические структуры с пятеричной симметрией, в то же время вирусы, как известно, могут кристаллизоваться, и эти кристаллы имеют пятеричную симметрию (типа футбольного мяча, скроенного из правильных пятиугольников).

Человек (и не только человек) умеет интуитивно чувствовать гармонию. Его притягивает то, что несет в себе гармонию, и отталкивает дисгармония. Гармоничные структуры мы называем словом «красота». Красивое тело построено по закону золотого сечения. Красивое здание несет в своих формах золотую пропорцию. И наоборот, здания, в которых эти пропорции не соблюдены, вызывают ощущение уродства. В красивом (гармоничном) сочетании звуков заложена золотая пропорция (звукоряд Пифагора). По закону золотого сечения построена Солнечная система (закон Боде). Пятеричную симметрию имеет планета Земля, кора которой выложена из пятиугольных плит (уже это должно натолкнуть нас на мысль, что Земля есть живое существо).

Есть основания думать, что весь мир построен по принципу золотой пропорции. Совсем недавно российский ученый А. Злобин, анализируя расположение камней Стоунхенжа, вывел интересную формулу, связывающую между собой три наиболее фундаментальные константы: , где = 3,14159..., e = 2,718..., = 1,618... (одно из чисел золотого сечения, всего их два, второе число = 0,618..., оба они получаются как корни квадратного уравнения + = 1). Самое поразительное, что = 1,007939... – есть атомный вес водорода (можно проверить по таблице Менделеева). Дробная часть этого числа характеризует относительное количество содержания во Вселенной тяжелых изотопов водорода, то есть атомов водорода, ядра которых содержат более одного нуклона. Повидимому, в этом соотношении заложено, в каких дозах нарушается симметрия во Вселенной, или, по крайней мере, в нашей области Вселенной.

Механистический подход достаточно удачно вскрывает закономерную сторону мироздания, где царит порядок и симметрия. Но вторую, асимметричную сторону мира, для которой характерна «свобода выбора», непредсказуемость, которая ассоциируется у нас с понятием «жизнь», механистическая наука осмыслить не в состоянии. Это основная причина того, что, идя путем редукционизма, даже разобрав организм на отдельные клеточки, клетки - на молекулы, молекулы – на атомы, атомы – на элементарные частицы, мы до сих пор не можем понять сути феномена жизни, мы не в состоянии воспроизвести ни одного живого организма.

Подобие части и целого не означает их идентичности. Наоборот, еще в античные времена была сформулирована аксиома: целое больше суммы его частей. Сейчас она читается как аксиома эмерджентности (от английского слова эмердженс - возникновение, появление нового): целое всегда имеет особые свойства, отсутствующие у частей-подсистем и не равно сумме элементов, не объединенных системообразующими связями.

Зачастую, исходя из свойств отдельных компонентов системы, невозможно предсказать свойства системы как целого. Например, водород и кислород, соединяясь, дают воду, то есть вещество, совершенно непохожее на исходные газы. Особенно сильна эмерджентность в высокоорганизованных биосистемах, таких как теплокровные животные. Здесь появляются такие непостижимые эмерджентные свойства, как образное отражение окружающего мира, психика, разум и т.п.

Особенно заметны эмерджентные свойства при исследовании социальных систем, например, муравейник, пчелиный улей, птичья стая, толпа и т.п. Такие системы обладают качествами, присущими только всей целостности и не сводимыми к сумме качеств существ, образующих эту целостность. Так, если во время сезонных перелетов одна из птиц отбивается от стаи, то она не сможет уже долететь до места назначения, так как одна птица «не знает» куда лететь, даже если это “опытная” птица. Этим знанием обладает только стая в целом, даже если она состоит из птиц, которые раньше никогда в тех местах не бывали. Птицы, объединенные в стаю, теряют частично свою маневренность (стая более массивна и неповоротлива, чем птицы в отдельности, известны случаи, когда, не сумев сманеврировать, стая птиц врезалась в землю). Аналогично человек в толпе теряет часть своей свободы и позволяет увлечь себя «голосу толпы», чему впоследствии может сам немало удивляться. Для выхода из толпы нужно затратить определенную энергию по преодолению системообразующей силы, это удается далеко не каждому.

Эмерджентность невозможно разложить на составляющие, ее можно лишь принять как данность и необходимо изучать непосредственно. Это есть нечто изначально целостное, неделимое, присущее только всей системе в целом и никакому элементу системы в отдельности. То есть к эмерджентности неприменим принцип редукционизма. Именно поэтому в эмерджентности наиболее ясно проявляется ограниченность механистического подхода к пониманию сложных систем.

Не менее интересно и свойство иерархичности систем. Иерархия переводится как расположение ступенчатым рядом. Иерархичность есть одно из основных свойств систем, в соответствии с которым любая система сама может являться элементом более общей системы, в то же время каждый элемент системы сам в свою очередь может быть системой.

Математически точно доказано, что иерархические системы быстрее возникают из составляющих их частей, чем неиерархические системы, имеющие такое же число элементов. Примером может служить история компьютерного программирования: современную сложную компьютерную систему практически невозможно создать без использования различных методов структурирования данных и программного кода. Они также более пластичны к нарушениям. То есть, если разложить иерархическую систему на подсистемы, то последние могут продолжать взаимодействовать и снова организуются, достигая более высокого уровня сложности.

Современный уровень знаний позволяет представить иерархию природных систем в виде следующей цепочки: элементарные частицы - атомы - молекулы - клетки - многоклеточные - экосистемы - биосфера - космическое тело - звездная система - галактика - скопление галактик - Вселенная. Между уровнями приведенной иерархии биосистем не существует четких границ или разрывов. Между двумя любыми соседними уровнями имеется масса промежуточных переходных форм, например, молекула - макромолекула (полимер) - сложномолекулярный комплекс (вирус) - коацерватная капля - клетка. По большому счету, четкой границы нет даже между отдельным организмом и экосистемой: организм, изолированный от популяции и от экосистемы, не может жить долго, так же как изолированный орган не может жить долго без тела, в котором он изначально зародился. Особенно явно это можно наблюдать на примере социальных существ, например, пчел: пчела, изолированная от улья, не жизнеспособна. В принципе, то же самое можно сказать и про человека.

В настоящее время при исследовании феномена жизни сложилась определенная традиция: в учет принимается только ограниченная область системной иерархии, в лучшем случае от вируса до биосферы. Выходя за рамки сложившихся традиций, мы в дальнейшем будем рассматривать также и системы более низкого уровня, относимые, в частности, к микромиру, а также системы более высокого иерархического уровня - мегамир: звездные системы, галактики, метагалактика. Только в этом случае удается понять наиболее полно феномен жизни, так как в мире нет ничего изолированного, все многообразие как живой, так и неживой природы неразрывно связано воедино.

На основе сказанного можно сформулировать три наиболее основополагающих принципа системного подхода:

  • дедуктивность - постулируются осуществимые модели, а уже из них в виде теорем выводятся законы, позволяющие существовать таким моделям (в традиционной науке, которая до сих пор тяготеет к механицизму, все наоборот: «если явление противоречит теории, тем хуже для явления, которое отныне считается антинаучным»);
  • рекуррентность - свойства системы данного уровня иерархии выводятся исходя из постулируемых свойств и связей элементов системы (тем самым узаконивается постулируемая эмерджентность);
  • телеологичность - признается существование целесообразности в организации природных систем, изучать которые можно на основе теорий, построенных из простейших моделей этих систем, отдавая в качестве «платы» за простоту моделей их приближенность, ограниченность и высокую вероятность ошибки.

ПОВТОРИМ

  1. Дать понятие редукционизму и холизму.
  2. Принципы механистического подхода к пониманию явлений природы.
  3. Принцип единства Вселенной.
  4. Противоречивость природы. Принцип дополнительности.
  5. Роль видового разнообразия в природе. Половая дифференциация.
  6. Закон подобия части и целого и его проявления в природе.
  7. Охарактеризовать состояние гармонии в природе.
  8. Эмерджентность и эмерджентные свойства социальных систем.
  9. Иерархичности природных систем.
  10. Основополагающие принципы системного подхода.

Глава 3

ВСЕЛЕННАЯ КАК СИСТЕМА

Судя по всему, феномен жизни является не исключением, а одной из сторон мироздания, изначально ему присущей. Поэтому появление земной жизни невозможно правильно оценить, не зная эволюционного пути Вселенной в целом. Именно во взаимосвязанности всех явлений Вселенной лежат истоки целесообразности, царящей в живой природе. То есть истоки феномена жизни следует искать в структуре и особенностях развития Вселенной.

Познакомившись с современными взглядами на Вселенную, как на единую систему, мы выведем некоторые наиболее фундаментальные законы, лежащие в основе всего мироздания, из которых следует, в частности, что земная жизнь является неизбежным следствием глобального эволюционного процесса. Только зная эти законы, можно найти выход из современного экологического тупика.

3.1. Понятие Вселенной

В традиционном смысле под Вселенной понимают всю совокупность качественно различных форм материи. В более узком смысле под Вселенной понимают физическую реальность, доступную астрономическим наблюдениям. Более правильно такую Вселенную называть метагалактикой. Однако уже со времен русских космистов (Федоров, Флоренский, Соловьев, Бердяев и другие) формировался более широкий подход к пониманию Вселенной, суть которого в признании того, что и человек, и все, что его окружает - это частицы единого организма, где все взаимосвязано. Особенно ценной была идея, что мысль, сознание есть такая же принадлежность природы, как и звезды, микробы, камни и прочее. В среде естествоиспытателей к этим идеям были близки Циолковский, Менделеев, Сеченов и другие. Поэтому под Вселенной мы будем понимать всю совокупность объективной и субъективной реальности как материального, так и идеального плана.

Формирование современных представлений о структуре и истории Вселенной (космология) во многом обязано успехам астрономии.

Масштабы физической Вселенной грандиозны. Об этом, в частности, свидетельствует ряд цифр. Так, например, наша галактика «Млечный путь» содержит приблизительно 100 миллиардов звезд, среди которых наше Солнце является вполне заурядной звездой. Галактика имеет диаметр порядка 90000 световых лет. Галактики отделены друг от друга гигантскими межгалактическими пространствами. Так ближайшая к нам галактика «Туманность Андромеды», которая примерно в два раза больше нашей, удалена от нас на 2 миллиона световых лет. Существуют и скопления галактик, содержащие от десятков до тысяч членов. В структуре физической Вселенной различают также и сверхскопления галактик, которые представляют собой уплощенные образования размером до 150 миллионов световых лет. Вся наблюдаемая часть физической Вселенной называется метагалактикой. Она имеет радиус порядка 10 млрд. св. лет.

В 20-х годах было обнаружено, что световые спектры всех галактик по структуре практически не отличаются от спектров светил нашей галактики, но почему-то практически все они смещены в «красную» сторону, и чем дальше от нас галактика, тем сильнее «красное смещение» спектра. Было выдвинуто множество объяснений этого факта, однако все они не выдержали критики за исключением одного из них, основанного на эффекте Доплера: если источник волн удаляется от наблюдателя, то наблюдатель фиксирует увеличение длины волны (например, смещение светового спектра в красную сторону), если же источник волн приближается к наблюдателю, то фиксируется укорочение волн (например, смещение спектра в синюю сторону). То есть «красное смещение» спектров далеких галактик свидетельствует о том, что все далекие галактики удаляются от нас. Позже Э. Хаббл сформулировал закон, который теперь носит его имя.

Закон Хаббла: Все далекие галактики удаляются от нас со скоростями, прямо пропорциональными расстояниям до них.

Скорость удаления оценивается постоянной Хаббла Н = 15 км/с на каждый миллион световых лет расстояния между галактиками. Значит, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас удаляется. То есть, либо мы находимся в центре Вселенной, и все почему-то от нас «убегают», либо следует искать какой-то другой ответ, который может в корне расходиться с привычными обыденными представлениями.

Существует множество моделей, пытающихся как-то избежать кризиса рассудка. Однако наиболее логичная модель несет в себе парадокс, не поддающийся рассудочному осмыслению. Согласно данной модели Вселенная представляет собой расширяющуюся четырехмерную сферу.

Понять это нашим трехмерным умом невозможно. Однако мы в состоянии провести аналогию, которая несколько сглаживает кризис непонимания. Представьте себе раздувающийся воздушный шар, на котором нанесены точки - галактики (рис.3.1). По мере раздувания шара все точки на его поверхности будут удаляться друг от друга, и из каждой точки будет казаться, что остальные точки удаляются от нее. Причем чем дальше две точки друг от друга, тем быстрее их взаимное разбегание в полном соответствии с законом Хаббла. Например, отрезок АС на рис.3.1 по мере раздувания шара будет расти быстрее, чем отрезок АВ. Всех быстрее будут удаляться друг от друга диаметрально противоположные точки, например А и D. На рисунке у нашего шара есть особая точка D, из которой надувается шар. Во Вселенной, конечно же, такого нет, все точки абсолютно равноправны. Каждая точка на этой модели существует в двухмерном мире, то есть на поверхности трехмерной сферы, но каждая область нашего реального мира трехмерна. Если замкнуть наш трехмерный мир в четвертом измерении, мы получим четырехмерную сферу, трехмерная поверхность которой является нашей физической Вселенной в данный момент времени.

Рис. 3.1

Зная расстояние и скорость удаления какой-либо галактики от нас, можно рассчитать, когда это расстояние было равно нулю. Это дает значение возраста Вселенной. Так, если расстояние между двумя галактиками в настоящее время L = св. лет, то согласно закону Хаббла она удаляется от нас со скоростью V = 15 км/с = 473· км/год = 5· св. лет/год. Если принять, что на протяжении всего времени существования Вселенной это движение было равномерным, то началось оно порядка 20 миллиардов лет назад (T = L/V = /5· = 2· лет). Такое же число можно получить и для любой другой галактики. То есть около 20 миллиардов лет назад все галактики находились в одной точке (сингулярности).

Что представляла собой данная сингулярность, мы можем только догадываться. По некоторым соображениям сингулярность - это абсолютное ничто, полная пустота. Так, по словам известного астрофизика Дж. Силка, «очень ранняя Вселенная, возможно, была пуста».

Однако абсолютная пустота не имеет ничего общего с обыденным пониманием пустоты. Физической аналогией абсолютного ничто может служить вакуум, который на субквантовом уровне флуктуирует короткоживущими виртуальными (воображаемыми) частицами, которые рождаются из ничего в паре со своими античастицами, а затем бесследно гибнут во взаимной полной аннигиляции. Эта модель вакуума получила образное название «Море Дирака». Некоторые опыты полностью подтверждают справедливость данной модели. Так уже классическим является опыт с вакуумным конденсатором (рис.3.2), между обкладками которого при определенной величине напряженности электростатического поля начинают рождаться «из ничего» электрон-позитронные пары. Это те самые виртуальные частицы, которые «растаскиваются» мощным сторонним полем конденсатора, после чего каждая частица начинает самостоятельное реальное существование.

Рис. 3.2

Переход Вселенной из «ничего» в физическую реальность произошел самопроизвольно в результате так называемого «Большого взрыва», причины которого неизвестны. Мы можем только догадываться о тех процессах, которые происходили в первые мгновения рождения Вселенной. Тем более не понятно нам, что было до Большого взрыва. Похоже на то, что само время родилось в момент Большого взрыва, поэтому времени «до взрыва» просто не было.

Аналогичная картина возникает и с понятием пространства: до Большого взрыва пространства не было, оно родилось вместе с самой Вселенной. Кроме того, вероятно, есть смысл говорить и о пределах Вселенной, за которыми физическая реальность не существует. Если мы проведем вокруг себя сферу, радиусом приблизительно 20 млрд. св. лет (рис.3.3), то очертим тем самым горизонт Вселенной. Если за горизонтом Вселенной находится хотя бы одна галактика, то согласно закону Хаббла она должна удаляться от нас со скоростью, превышающей скорость света, а это запрещено теорией относительности. То есть за горизонтом Вселенной, по-видимому, физической реальности не существует. Это также один из парадоксов, не укладывающийся в рамки обыденного трехмерного мышления. Но если применить для понимания данного феномена описанную выше сферическую модель Вселенной, то можно выйти за рамки и этого парадокса. Если принять, что диаметр расширяющейся четырехмерной сферы Вселенной (отрезок AD) увеличивается со скоростью света, то горизонт Вселенной вырождается в одну точку D, диаметрально противоположную точке наблюдателя А. Эта точка удаляется от наблюдателя со скоростью света и видна по всем направлениям поля зрения наблюдателя. То есть данная точка как бы «размазывается» по всему горизонту Вселенной. Поэтому попытки выйти за пределы горизонта Вселенной равносильны попыткам войти внутрь математической точки, не имеющей пространственных размеров.

Рис. 3.3

Вообще все эти парадоксы снимаются, если применить для понимания информационную модель Вселенной. Но это уже предмет отдельного курса.

3.2. Принцип единства Вселенной

Здравый смысл говорит нам, что из ничего невозможно создать ничего. Однако законы природы не всегда опираются на здравый смысл человека. Открывая законы природы, человек сначала очень удивляется, так как встречается с тем, чего не ожидал, что противоречит его убеждениям. Затем он привыкает к этому и принимает как само собой разумеющееся (очень ярко это наблюдалось в связи с квантовой теорией - по мере того, как в физику приходили молодые незакомплексованные умы, которые принимали квантовые парадоксы, как само собой разумеющееся, разрешался и кризис неприятия новых взглядов на мир). То есть границы здравого смысла человека достаточно динамичны. Так произошло, например, с законом сохранения энергии. Сейчас он ни у кого не вызывает сомнения. Но были и другие времена. Более того, до сих пор масса добровольных изобретателей вечного двигателя не может смириться с этим законом. Но природу не обманешь, существует ряд принципиальных ограничений, через которые перешагивать невозможно.

Согласно современным представлениям принципы сохранения лежат в самом фундаменте мироздания. Как же могла Вселенная нарушить эти принципы, возникнув из ничего? Оказывается, парадокс существует только по отношению к здравому смыслу человека, но не по отношению к принципам сохранения. Действительно, было исходное состояние, когда ничего не было. И до сих пор суммарный эффект всех явлений Вселенной равен нулю. В целом Вселенная до сих пор является абсолютным «ничто».

Имеется масса подтверждений этому. Так ни у кого не вызывает серьезных сомнений тот факт, что суммарный электрический заряд Вселенной равен нулю. То есть, не смотря на грандиозность размеров Вселенной, мы убеждены, что количество отрицательных зарядов в точности равно количеству положительных. Мы уже знаем, что электрические заряды всегда рождаются в паре, так что суммарный заряд рожденной пары равен нулю. Это потом новорожденные заряды разлетаются по пространству, участвуя в совершено разных явлениях. По отношению ко всей Вселенной с рождением пары зарядов вряд ли что-то меняется. И если уж возникают какие-то изменения, то они в точности компенсируются изменениями другого знака, так что в итоге состояние Вселенной остается прежним.

Суммарная энергия Вселенной похоже также равна нулю: отрицательная энергия притяжения (сближения) может полностью уравновешиваться положительной энергией отталкивания (разбегания). Именно здесь, вероятно, следует искать природу некоторых сил. Например, силы гравитации, проявляющиеся в локальном притяжении массивных тел друг к другу, по-видимому, совершенно точно уравновешиваются фактом разбегания галактик в процессе расширения Вселенной.

Массивность (инерционность) физических тел также не является принадлежностью этих тел, а обусловлена фактом притяжения этих тел со стороны всей Вселенной. Это утверждение называется принципом Маха, который хотя и не доказан, но многие авторитетные ученые склоняются в пользу его справедливости. Попытка изменить положение тела по отношению к Вселенной вызывает с ее стороны ответную реакцию в форме силы инерции, препятствующей данному изменению. Принцип Маха можно распространить не только на массивность тел, но и на другие их параметры. То есть любое проявление, которое мы наблюдаем в данном физическом теле, обусловлено фактом принадлежности этого тела Вселенной и взаимодействием с ней. Значит, если физическое тело каким-то фантастическим образом вынести за пределы Вселенной, то оно просто перестанет существовать, так как исчезнут все его свойства (массивность, протяженность, внутренние взаимодействия и т.п.).

Можно бесконечно приводить примеры полной взаимоуравновешенности явлений и процессов во Вселенной. Все они приводят к утверждению, которое можно сформулировать в виде гипотезы: все явления и процессы во Вселенной взаимоуравновешены так, что по любому проявлению в целом Вселенная равна нулю так же, как и до ее возникновения (принцип абсолютного нуля).

Это объясняет принцип дополнительности, который в более широкой формулировке звучит следующим образом: любое явление может рождаться и существовать в физической реальности только в паре со своей противоположностью (отрицанием). Благодаря наличию во Вселенной феноменов пространства и времени, несмотря на взаимоуравновешенность всех явлений, противоположности могут быть разделены либо в пространстве, либо во времени, что препятствует их полной аннигиляции и приводит к существованию локальных неоднородностей и в конечном итоге всего актуального мира (реальности).

Неоднородности могут быть реализованы либо в статике, либо в динамике. Пример статического равновесия: равенство положительного и отрицательного заряда Вселенной. Локальные статические неоднородности возможны благодаря наличию во Вселенной феномена пространства. Пример динамического равновесия: равенство напряжения и противо-ЭДС при замыкании рубильника в цепи с индуктивностью:
где L - индуктивность, q - электрический заряд. Существование подобных явлений возможно благодаря наличию во Вселенной феномена времени.

Подтверждением сказанному может служит также один из наиболее фундаментальных законов, известный как принцип Ле Шателье - Брауна: на любое изменение Вселенная откликается возникновением процессов, тормозящих данное изменение. То есть любое изменение порождает динамическую составляющую (пропорциональную второй производной по времени от данного изменения), которая уравновешивает собой сам факт изменения, вызывая процессы, направленные на сдерживание данного изменения. В случае с индуктивностью, при замыкании цепи возникает движение (изменение) электрического заряда q, что порождает силу инерции Е, которая тормозит движение заряда.

Частным случаем этого принципа является общеизвестный в физике принцип Ленца: любое изменение магнитного поля вызывает в проводящей среде вихревые токи (токи Фуко), которые своим магнитным полем препятствуют причине, их вызывающей. Вообще, любое проявление инерционности в природе (в том числе и массивности физических тел) есть следствие принципа Ле Шателье-Брауна. В электромагнитных явлениях мы достаточно хорошо представляем себе механику действия этого принципа, в других случаях механизмы нам бывают неизвестны, но, тем не менее, этот принцип работает всегда.

Все сказанное дает возможность сформулировать еще один наиболее фундаментальный закон, который лежит, по-видимому, в основе действия принципа Ле Шателье-Брауна и носит название принципа единства Вселенной: во Вселенной все взаимосвязано, любое явление влияет на весь мир и само испытывает влияние от всех явлений Вселенной.

Все объекты Вселенной в определенном аспекте не имеют свойства конечности и одновременно заполняют собой всю Вселенную, то есть взаимопогружены друг в друга. Подтверждением этому является квантово-механическая модель элементарных частиц, заполняющих собой всю Вселенную в виде «облаков вероятностей». Поэтому любое изменение, происшедшее в одном конце Вселенной, отражается на всех других явлениях, как бы далеко они не отстояли от данного события в пространственно-временном континууме Вселенной.

В этом и состоит основа холизма Вселенной, то есть ее целостность. Это приводит к тому, что некоторые проявления Вселенной невозможно разложить на составляющие. Их можно объяснить только как результат воздействия на конкретные явления всей Вселенной как единого целого. Если этому воздействию подвергается человек, то есть мыслящее существо, то у него может возникнуть ощущение общения с высшей сущностью - Богом. Это ощущение усиливается, когда человек убеждается, что целостный фактор Вселенной обладает качеством, аналогичным человеческому разуму. Это происходит благодаря господству во Вселенной принципа оптимальности, который является прямым следствием принципа единства Вселенной и принципа дополнительности. Именно эволюция форм проявления принципа оптимальности породила в конечном итоге человеческий разум. Вселенной же в целом он присущ изначально.

3.3. Принцип оптимальности

В самом фундаменте мироздания лежит принцип оптимальности: во Вселенной реализуются лишь оптимальные состояния и процессы. В обыденной формулировке: что ни делается - все к лучшему.

Под оптимальным мы будем понимать такое состояние системы в целом, которое практически не изменяется или изменяется минимально возможным образом при различных вариациях внутренней структуры. Такое состояние еще называется равновесным.

Наиболее показателен в этом смысле принцип наименьшего действия, который среди вариационных принципов исторически был открыт первым: из всех возможных сценариев какого-либо процесса реализуется лишь тот, которому соответствует наименьшее действие. Под действием понимается интеграл от полной энергии системы по времени , где К - кинетическая, а П - потенциальная энергия системы в текущий момент времени t.

Например, траекторию, по которой движется тело в поле притяжения Земли, можно изобразить кривой в четырехмерном пространственно-временном континууме (рис.3.4).

Рис. 3.4

На рисунке траектория изображена в трех координатах: х - направление движения тела вдоль поверхности земли, h - высота тела над поверхностью земли, t - время. Точки А и В соответствуют положениям и моментам времени, соответствующим началу и окончанию движения тела. Среди возможных путей, соединяющих точки А и В, один из путей соответствует наименьшему значению действия W. Проекция этой траектории на пространственные координаты xh даст всем известную траекторию имеющую форму параболы. Любое незначительное изменение (вариация) данной траектории практически не повлияет на величину действия, что говорит об экстремальности (о наименьшем значении) этой величины. Любая другая траектория при попытке ее вариации даст значительные изменения величины действия, что говорит об энергетической неоптимальности этих траекторий. Оказывается, что траектория, соединяющая в четырехмерном континууме две наперед заданные точки А и В, найденная из условия обеспечения наименьшего действия (оптимальности), всегда соответствует природной действительности. Поэтому задача поиска траектории может быть решена, как задача оптимизации. На подобных положениях основан ряд методов решения некоторых практических задач, в частности расчет поля методом конечных элементов.

Это напоминает решение задачи математического анализа по нахождению экстремума (оптимума) функции f(x). Здесь экстремум ищется из условия, что в точке экстремума малым приращениям аргумента dx соответствует нулевое приращение значения функции df = 0. В вариационном исчислении искомым является не значение аргумента х, а форма функции f(х), которая минимизирует некоторую интегральную функцию Ф = F(f(x)), которая в данном случае называется функционалом (в предыдущем примере Ф = W).

Согласно теореме Нетер, при условии симметрии пространства-времени каждому закону сохранения можно дать вариационную формулировку, то есть поставить в соответствие некоторый функционал Ф. Например, - для задач механики, - для полевых задач и т.п. Так, например, принцип наименьшего действия тесно связан с законом сохранения энергии при условии симметрии времени (два эксперимента, проведенных в разное время, но при одинаковых условиях, дадут одинаковые результаты).

Исходя из принципа единства Вселенной и принципа дополнительности, все процессы во Вселенной взаимоуравновешены, то есть в целом Вселенная сохраняет свое исходное состояние «абсолютного ничто». Следовательно, можно предположить, что в соответствии с теоремой Нетер, Вселенная в целом подчиняется какому-то глобальному вариационному принципу, частные проявления которого выливаются в различные локальные вариационные принципы, типа принципа наименьшего действия, принципа минимума диссипации энергии и т.п. Именно этот глобальный принцип можно назвать принципом оптимальности.

В предыдущем примере мы из опыта знаем форму траектории движения тела. В более сложных случаях (например, движение в неоднородной среде) простого решения для траектории получить не удается. Ее могут исказить любые локальные неоднородности среды. Однако после того, как траектория будет пройдена данным телом, то есть после того, как сама природа решит данную задачу, поверочный расчет функционала по данной траектории обязательно покажет, что функционал имеет минимальное значение из всех возможных. Функционал можно рассчитать только после того, как будет известна сама функция, то есть после того, как траектория будет пройдена. Но уже перед началом движения мы знаем, что этот функционал будет минимальным. Но ведь движущееся тело не знает о том, какие неоднородности встретит оно на своем пути!

Получается, что тело чуть ли не сознательно выбирает траекторию своего движения, чтобы минимизировать функционал. Когда были открыты вариационные принципы, дискуссия о «разумности природы» длилась в ученом мире очень долгое время. На самом деле это есть лишь следствие определенных природных механизмов, известных нам как законы природы. Но из всех принципиально возможных механизмов процессов реализуются почему-то именно те, которые дают наиболее оптимальные сценарии развития процессов. Это, с одной стороны, позволяет получать оптимальные сценарии развития, следуя в каждом своем шаге законам природы. С другой стороны, даже не зная конкретных механизмов и законов системной динамики, но зная интегральные характеристики системы, мы можем на основе принципа оптимальности прогнозировать (рассчитывать) ее будущее.

Создается впечатление, что природа сначала рассчитывает будущее, планирует его, а уже затем реализует наиболее оптимальный сценарий. Или же когда-то давно была уже проведена подобная работа, позволившая сформулировать такие законы системной динамики, которые в случае их выполнения всегда дают оптимальные результаты.

Таким образом, феномен целесообразности (телеологичности) изначально присущ природе. В его основе лежит принцип оптимальности, причина которого в единстве Вселенной и взаимодополнительности всех протекающих в ней процессов. Раздражимость, инстинкт, психика, разум - все это лишь некоторые наиболее привычные нам проявления феномена целесообразности. Можно показать, что все они являются конкретными механизмами, найденными природой для реализации принципа оптимальности. Так человек, использует свой разум для оценки последствий своих шагов в целях нахождения наиболее оптимального варианта поведения. Психика животных также служит этой цели, но «степень проникновения в будущее» у психики гораздо меньше, чем у разума. То, что мы понимаем под конкретными законами природы, выполняет аналогичные функции, но еще с более незначительной «степенью проникновения в будущее». Так из квантовой теории известно, что даже в процессе взаимодействия двух элементарных частиц присутствует парадоксальная фаза, когда частицы каким-то образом получают информацию (прогноз) о ближайшем будущем.

В основу принципа оптимальности могут быть положены два взаимодополнительных постулата:

  • любая система стремится занять состояние, в котором любое изменение внутри системы практически не влияет (влияет минимально возможным образом) на состояние системы в целом;
  • из всех возможных состояний в каждый момент времени реализуется то состояние, с которым связано наименьшее количество изменений.

Первый постулат лежит в основе динамики Вселенной, заставляя ее эволюционировать от неравновесных состояний ко все более равновесным. Второй постулат запрещает скачкообразные переходы в равновесные состояния, заставляя всегда выстраивать четкие причинно-следственные цепи событий. Можно видеть, что второй постулат возникает вследствие действия принципа Ле Шателье - Брауна (природа пытается затормозить любые изменения) при попытках системы перейти в равновесное состояние, то есть он взаимодополнителен к первому постулату.

Резонно возникает вопрос: если в любой момент времени природа реализует только оптимальные состояния и процессы, почему же в мире так много абсурда, ошибок, далеких от понятия оптимальности? Или может быть человек, приведший планету к экологической катастрофе, является исключением, для которого закон оптимальности не писан? Но ведь не только человек совершает абсурдные поступки. Разве есть какая-то оптимальность в поведении ночной бабочки, летящей на огонь, или стаи саранчи, уничтожающей всю растительность в округе и затем гибнущей от голода, или мухи, бьющейся о стекло?

Оказывается есть. Так, например, муха задействует один из самых эффективных алгоритмов поиска оптимального решения: метод случайного поиска. Муха не имеет того зрительного и аналитического аппарата, который есть у человека. Это мы понимаем, что нужно чуть отклониться в сторону и вылететь в открытую форточку. Мухе же не известно, есть ли вообще выход из той ситуации, в которую она попала (фасеточный глаз мухи не в состоянии различить стекло и открытую форточку). Но случайный поиск гарантирует, что решение рано или поздно будет найдено, если оно, в принципе, возможно. Более того, случайный поиск позволяет иногда находить выход даже из, казалось бы, тупиковых ситуаций (так муха может найти свое решение задачи, а не то, которое для нее приготовили мы, например, она может отыскать и вылететь в щель, о которой мы даже не подозревали). Причем если функция (ситуация) сама имеет случайный характер (или ее характер неизвестен), то данный метод дает наименьшее среднестатистическое время поиска ее экстремума.

Природа очень часто задействует подобные алгоритмы оптимизации. Так, например, очень показательна в этом смысле тактика поиска мест взятка (нектара и пыльцы), осуществляемая пчелиной семьей. Если одна из пчел найдет богатую цветочную поляну, то при возвращении в улей она совершает свой знаменитый «танец на сотах», который «рассказывает» другим пчелам, куда нужно лететь, сколько энергии для этого потребуется, какие именно цветы растут на поляне и т.п. После этого множество пчел вылетает по месту назначения. При этом они демонстрируют хорошее понимание переданной им информации. Но почему-то не все пчелы, наблюдавшие танец, достаточно пунктуальны. Некоторые из них сбиваются с пути или даже изначально летят в неправильном направлении, иногда в совершенно противоположном. Это уменьшает количество принесенного в улей взятка. Но, оказывается, подобные ошибки изначально запрограммированы и несут в себе большую пользу. В принципе, природа могла бы наградить пчел абсолютной роботоподобной безошибочностью в понимании друг друга. Но она дала пчелам «право на ошибку». Даже процент пчел, сбившихся с пути, определен достаточно строго (около 5%). Именно «ошибочные» вылеты приносят, как правило, в улей информацию о других богатых источниках взятка, на которые эти пчелы иногда случайно натыкаются.

Без определенной доли ошибки, абсурда, случайности природа не смогла бы развивать и усложнять свои формы. Поэтому, наверное, А.С. Пушкин назвал случай «богом-изобретателем». Именно здесь реализуется та самая свобода выбора, без которой немыслима гармония в системе (см. выше). Системы, структура которых лишена неопределенности, случайности, ошибки, нежизнеспособны, так как они далеки от гармонии - наиболее объективного оптимального состояния. Они неспособны развиваться, а потому для Вселенной они бесполезны. Поэтому они довольно быстро разрушаются (накапливают ошибку в отношениях с окружающей средой). Механизмы этого разнообразны. Например, такая система может регулярно вступать в конфликты с другими системами (войны), в результате рано или поздно погибнет. Правда, чаще всего такая система, утратившая подобие с метасистемой, частью которой она является (предполагается, что метасистема гармонична), самопроизвольно теряет устойчивость (устойчивы только гармоничные системы). Мы такое состояние называем болезнью, иногда с летальным исходом. Как мы уже говорили, гармоничное соотношение между строгой предопределенностью и свободой выбора в структуре системы определяется «золотой пропорцией».

Таким образом, в абсурде всегда есть доля здравого смысла. Без абсурда невозможно достичь оптимального состояния. Здесь, вероятно, каждому человеку придется многое пересмотреть в своем мировоззрении, в своем отношении к своим и особенно к чужим ошибкам. «Не судите, да не судимы будете» - учил нас Христос. Может быть, мы наконец-то осознаем мудрость этих слов?

ПОВТОРИМ

  1. Охарактеризовать масштабы физической Вселенной.
  2. Расширяющаяся вселенная. Закон Хаббла.
  3. Принципы сохранения - фундамент мироздания.
  4. Принцип абсолютного нуля и принцип дополнительности.
  5. Принципа единства Вселенной.
  6. Принцип оптимальности и природные механизмы оптимизации.

Глава 4

ГЛОБАЛЬНЫЙ ЭВОЛЮЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС

Если мы не знаем своей истории, то мы обречены на повторение ошибок, свершенных уже однажды. Как возникла земная жизнь? Были ли в истории Земли катастрофы, подобные той, которая грозит нам? В чем их причины? Можем ли мы хоть как-то изменить «логику» катастроф и надо ли это делать?

4.1. Принцип самоорганизации

Динамика Вселенной проявляется в двух противоречивых взаимодополнительных процессах: разрушение и созидание.

Исторически первым был открыт принцип разрушения, который более известен как второй закон термодинамики, или принцип роста энтропии: в любом реальном процессе энтропия Вселенной возрастает. Как выяснилось, этот закон имеет всеобщий характер. Он прошел проверку временем и до сих пор считается одним из фундаментальнейших законов природы.

Энтропия есть мера хаоса, а также мера неопределенности, непредсказуемости, абсурда в системе. Мера определенности, предсказуемости, логичности в системе называется негэнтропией или информацией. Чем более упорядочена структура системы, тем более она предсказуема, тем больше ее негэнтропия.

То есть согласно принципу роста энтропии любой процесс сопровождается разрушением упорядоченных структур систем Вселенной и нарастанием хаоса и неопределенности.

Энтропия является также мерой качества энергии, под которым понимают степень ее концентрации и направленности. Чем больше качество энергии, тем меньше ее энтропия, тем большее количество превращений из одной формы в другую она может претерпеть. Например, электрическую энергию (направленное движение электронов) можно превратить в механическую (направленное движение физического тела), затем опять в электрическую, затем, например, в химическую и т.д. При каждом превращении часть энергии необратимо рассеивается в тепло (хаотическое движение частиц), так что КПД любого превращения энергии всегда меньше единицы. В конце концов, вся энергия после ряда превращений переходит в тепловую форму. Это конечный пункт любой порции энергии. Дальнейшее полезное использование этой энергии возможно только при наличии более холодного резервуара (холодильника) в окружающей среде. Но когда температура данной порции энергии станет равной температуре окружающей среды, ее повторное использование становится невозможным, энергия окончательно деградирует.

То есть любой процесс сопровождается понижением качества энергии, которая стремится рассеяться по всему объему Вселенной. Это необратимо. Круговорот энергии невозможен. Все в мире разрушается и деградирует. Как считал Больцман, когда-нибудь вся энергия рассеется по Вселенной, выравняются все температуры, и все процессы остановятся, что знаменует собой «тепловую смерть Вселенной». Согласно современным представлениям «тепловая смерть» нам не угрожает, так как Вселенная расширяется, о чем Больцман еще не знал.

Принцип роста энтропии можно вывести из первого постулата принципа оптимальности (см. предыдущую главу). В вариационной формулировке принцип роста энтропии звучит следующим образом: система стремится к состоянию, в котором незначительные изменения данного состояния не приводят к существенному изменению энтропии (энтропия - это интегральная функция, обладающая свойствами функционала). Особенно наглядно это можно наблюдать на примере простейшей статистической системы, представляющей собой ящик, заполненный подвижными частицами (рис.4.1).

Рис. 4.1

Опуская подробности расчета энтропии, можно сказать, что энтропия такой системы минимальна , когда все частицы расположены упорядоченной компактной группой. Положение какой-то отдельной частицы в этом случае оказывается более предсказуемым, чем если бы частицы располагались менее компактно. Энтропия максимальна , когда частицы хаотично рассеяны по объему ящика. Если мы удалим одну частицу из компактной группы и перенесем ее в любое другое место ящика, то новое значение энтропии системы окажется существенно больше предыдущего, то есть . Если мы сделаем аналогичную перестановку в системе с хаотичным распределением частиц, то энтропия системы от этого практически не изменится, то есть . Поэтому согласно принципу оптимальности статистическая система со временем придет именно к такому хаотичному состоянию с энтропией, близкой к максимально возможному для данной системы значению.

Парадокс жизни состоит в том, что вопреки второму закону термодинамики биосистемы способны наращивать и усложнять свою упорядоченную структуру, понижая тем самым внутреннюю энтропию. Правда, как выяснилось, в целом это не противоречит принципу роста энтропии, так как жизнедеятельность биосистем приводит к еще большему росту хаоса в окружающей среде. То есть энтропия Вселенной в целом все-таки нарастает. И, тем не менее, как казалось поначалу, этот парадокс ставил запрет на существовании жизни. Поэтому долгое время теория эволюции развивалось в полном отрыве от физики, которая не могла понять, как это вообще возможно. Ответ был получен только в середине двадцатого века, когда выяснилось, что запрет существует только для замкнутых систем, которые в чистом виде в природе вообще отсутствуют. Все живые организмы существуют только потому, что они открыты для окружающей среды. Парадокс был рожден, по сути дела, механистическим подходом к попытке понять жизнь. Только в механистической науке существует понятие замкнутой системы, оторванной от внешнего мира.

Наличие процессов эволюции, усложнения форм жизни вытекает из принципа единства Вселенной и принципа дополнительности (дуальности): при наличии во Вселенной процессов разрушения следует ожидать в ней равного по объему созидания. Более конкретно, жизнь является следствием принципа Ле Шателье - Брауна: рост энтропии Вселенной вызывает процессы, сдерживающие этот рост, то есть направленные на рост негэнтропии, а значит, на возникновение и усложнение упорядоченных структур. Это называется самоорганизацией.

Неизбежность самоорганизации в природе можно вывести также и из второго постулата принципа оптимальности, сформулированного в форме вариационного принципа минимума диссипации (рассеяния) энергии: если возможно множество сценариев протекания процесса, согласных с законами сохранения и связями, наложенными на систему, то в реальности процесс протекает по сценарию, которому отвечает минимальное рассеяние энергии, то есть минимальный прирост энтропии. Другими словами, если в ходе процесса возможно образование упорядоченных устойчивых статических или динамических структур в локальных областях системы, то они обязательно возникнут, уменьшая тем самым суммарный прирост энтропии. Поэтому принцип минимума диссипации энергии, открытый создателем неравновесной термодинамики Пригожиным (датчанин, но по происхождению русский), можно считать одной из формулировок принципа самоорганизации.

Долгое время было непонятно, каким образом в живых организмах обходится запрет на рост энтропии. Сейчас мы знаем, что в основе самоорганизации лежит принцип Онзагера: одновременно протекающие процессы могут влиять друг на друга так, что хотя в каждом из процессов в отдельности энтропия не может уменьшаться, но, взятые вместе, они могут компенсировать уменьшение энтропии в одном из процессов за счет еще большего увеличения в других. В итоге по всем процессам энтропия растет. Можно заметить, что принцип Онзагера строится на понятии эмерджентности: совокупность взаимосвязанных процессов может обладать свойствами, совершенно немыслимыми в каждом из процессов в отдельности, их нельзя вывести из суммы свойства отдельных процессов.

Следствия из принципа Онзагера:

  • самоорганизующаяся система должна быть открытой по отношению к окружающей среде;
  • она может существовать, уменьшая внутреннюю энтропию, только за счет увеличения энтропии (разрушения) внешней среды.

То есть существование жизни во Вселенной оказывается возможным лишь благодаря данному нам «разрешению» на разрушение окружающей среды и рассеяние энергии. Любое изменение внутри самоорганизующейся системы (например, протекание физиологических процессов в организме) согласно второму закону термодинамики приводит к росту энтропии (неопределенности, хаоса, ошибки). Это грозит живому организму потерей упорядоченности. Поэтому организм может существовать, лишь выводя эту энтропию (хаос) в окружающую среду. Вывести энтропию значит упорядочить внутреннюю организацию. Это можно представить так же и как процесс поглощения информации (негэнтропии, порядка) извне, то есть, отнимая порядок из окружающей среды (внося в нее разрушение), мы за счет этого упорядочиваем свою внутреннюю структуру.

Поэтому любая самоорганизующаяся система может существовать только в потоке энергии, при этом энтропия потока энергии на входе в систему меньше, чем энтропия выходного потока (система потребляет более концентрированную энергию, а выдает более рассеянную). Именно в энергетический поток система сбрасывает свою внутреннюю энтропию (неупорядоченность), из этого потока она берет необходимый порядок, что позволяет ей существовать длительное время без саморазрушения. Для этого, например, мы потребляем пищу, разрушая ее внутри себя, высвобождая таким образом накопленную в ней информацию (порядок), и за счет этого упорядочивая свою структуру. Продукты разрушения, несущие в себе хаос, мы выбрасываем в окружающую среду. Даже научная деятельность, связанная с расшифровкой тайн природы, с накоплением емких научных знаний, неизбежно окупается ростом разрушения, вносимым нами в окружающую среду.

Таким образом, мы, в принципе, не можем жить не разрушая. Другое дело, в каких количествах мы имеем право разрушать. Природа накладывает определенный «лимит» на разрушение. Об этом мы будем говорить в следующей главе.

Все, что было здесь сказано в отношении живых организмов, можно с полным основанием распространить и на любые другие самоорганизующиеся системы, которые обладают рядом особенностей:

  • открытостью, то есть их существование немыслимо без постоянного взаимодействия с окружающей средой;
  • неравновесностью, то есть энтропия в данной системе существенно меньше энтропии окружающей среды;
  • нелинейностью, то есть непропорциональностью изменения различных свойств системы, ограниченностью пределов изменения этих свойств, что приводит к разного рода фазовым переходам.

Исследование простейших самоорганизующихся систем позволяет сформулировать более частные принципы и условия, выполнение которых необходимо для возникновения самоорганизации:

  • наличие избыточного множества элементов, находящихся изначально по отношению друг к другу в случайных отношениях;
  • наличие притока извне некоторого организующего фактора (информации), воздействующего на отношения между группами элементов (аналог пищи);
  • система должна быть колебательной и иметь пространство потенциально возможных резонансных структур;
  • наличие положительной обратной связи по структуре: чем ближе структура к резонансу, тем сильнее она к нему стремится;
  • наличие отрицательной обратной связи по потребляемой информации: чем больше информации (пищи) потребляет структура, тем меньше ее остается в окружающей среде (другими словами, количество пищи должно быть ограничено, что вызывает конкуренцию в виде «борьбы за существование»; в процессе конкуренции улучшается структура удачных комплексов и еще больше закрепляется их преимущество перед неудачными);
  • малая величина диссипативных связей, наложенных на систему (малая степень внутреннего трения и прочих каналов рассеяния энергии);
  • узкий диапазон внешних воздействий.

Таким образом, в процессе самоорганизации происходит самопроизвольный поиск устойчивых структур. Под устойчивостью системы понимают ее способность сохранять свою структуру при наличии внешних воздействий на нее; при снятии воздействия такая система должна вернуться в исходное состояние. Для устойчивых систем характерно подобие части и целого.

Однако подобие не должно быть абсолютным. Как уже говорилось, устойчивые структуры гармоничны, то есть в них заложено «золотое соотношение» между предсказуемостью и непредсказуемостью.

«Законопослушание» таких систем гарантирует им стабильность за счет притока энергии, а свобода выбора, непредсказуемость дает перспективы для дальнейшего развития. Излишне стабильные комплексы, близкие к абсолютному подобию с целостностью, потребляют только вполне определенное количество энергии, в то время как его «соседи» усложняют свою структуру и потребляют все больше энергии, лишая ее того, кто не способен развиваться. Излишек непредсказуемости также грозит гибелью, так как возможна утрата подобия с целостностью.

Именно здесь, по-видимому, лежит основная причина экологической катастрофы. Человек выделился из природы, утратил связь и подобие с ней, стал слишком «свободным», а потому пошел вслепую по пути, ведущему в «пропасть». Здесь же и ответ на вопрос, как избежать катастрофы. Надо вспомнить, что не природа (метасистема) должна подстраиваться под человека, это было бы равносильно попытке какого-либо комплекса частиц, не удовлетворяющего условиям резонанса с энергетическим потоком, изменить структуру этого потока «под себя». Человек должен принять главенствующую роль природы и подчиниться ее требованиям.

Но, возможно, наше поведение, наш «бунт» против матери-природы является закономерным и фатально неизбежным? То есть вполне возможно, что сама природа предусмотрела для каких-то целей вероятность подобных бунтов. Для ответа на этот вопрос надо посмотреть, было ли нечто подобное в истории Вселенной.

4.2. Современная космологическая модель

Несмотря на успехи физики в понимании истории Вселенной, рассуждения ученых по этому вопросу можно назвать игрой фантазии, рожденной современными знаниями, экстраполированными на первые мгновения жизни Вселенной. В полном объеме эти знания не могут быть применимы к моменту рождения Вселенной, так как это была сверхэкстремальная ситуация. Тем не менее, основные принципы, рассмотренные нами, вероятно, уже действовали. То есть сразу же наметились две тенденции в жизни Вселенной: разрушение вакуума (ничто есть идеально упорядоченная структура) и созидание (самоорганизация) материи.

Мы не знаем, какими были самые первые структуры во Вселенной. Возможно, в первые моменты бытия Вселенной были реализованы такие первичные структуры, которые имеют прямые аналогии с идеальными образами, используемыми человеком в процессе мышления. Поэтому все древние космологические концепции рисуют творение Вселенной, как свободный волевой акт единого Творца.

Мы уже «догадались», что в ходе этих процессов уже на первых миллисекундах Вселенная стала почему-то электрически неоднородной, возникли условия для зарождения пар противоположно заряженных частиц. То есть Вселенную на этом этапе можно представить в виде своеобразного вакуумного конденсатора, рождающего «из ничего» пары частица-античастица. Откуда взялась энергия для рождения этих частиц? По этому поводу нет единого мнения. Любые рассуждения на эту тему являются лишь гипотезами. Если исходить из информационной модели Вселенной, то понятие энергии сводится к разности энтропий конечного (еще не реализованного, но потенциально возможного) и исходного (реализованного) состояний. Другими словами, энергия есть разность между тем, чего мы могли бы иметь, и тем, чего мы на самом деле имеем. Именно эта разность порождает движущую силу, приводящую в действие весь эволюционный процесс во Вселенной.

Мир элементарных частиц, вероятно, был очень разнообразен. Наши синхрофазотроны довольно грубо моделируют процессы того времени. С ростом количества частиц электрическая неоднородность сглаживалась (конденсатор разряжался). «Рождаемость» частиц сначала замедлилась, потом прекратилась. В этой стадии развития Вселенной наряду с рождением зарядов присутствовала и их смерть - аннигиляция частиц и античастиц с полным переходом их структуры в полевую форму. И вот «рождение» прекратилось, но аннигиляция осталась. Это была «первая экологическая катастрофа», известная нам. К счастью, ранняя Вселенная была почему-то асимметрична: электронов оказалось чуть больше, чем позитронов, а протонов больше, чем антипротонов. Поэтому на каждые 100 миллионов пар «выжила» одна частица. Этого оказалось достаточно для того, чтобы построить все вещество Вселенной, которой в ту пору было несколько секунд от роду.

Эпоха элементарных частиц закончилась. В итоге Вселенная «открыла» устойчивые частицы, которые стали элементами для построения систем более высокого иерархического уровня. Если бы этого не произошло, и разрушение элементарных частиц было бы полным, то Вселенная достигла бы максимума энтропии (Вселенная, заполненная излучением) и, возможно, прекратила бы свое существование (хотя бы потому, что без вещества не определены понятия пространства и времени). «Изобретение» устойчивых частиц повысило максимально возможное значение энтропии Вселенной до какой-то величины , то есть появилась возможность дальнейшего роста энтропии, но уже не за счет разрушения частиц, а за счет их рассеяния и перемешивания в разных комбинациях.

Этот алгоритм в дальнейшем повторяется. То есть в процессе стремления систем к максимуму энтропии они обязаны найти устойчивые формы, которые смогут отодвинуть само значение. Такие формы благополучно минуют преграды естественного отбора. В естественном отборе побеждает тот, кто дает наибольшие перспективы в плане дальнейшего развития Вселенной. А так как с каждым шагом вверх по иерархической лестнице системной организации количество элементов таких систем становится все меньше и меньше, то требуемый рост энтропии Вселенной может быть обеспечен только ростом сложности внутренней организации систем (закон усложнения системной организации). Чем сложнее система, тем большее количество подсистем содержится в ее структуре. При этом каждая частица (элемент) может входить одновременно во множество подсистем. Это значит, что возрастает количество реальных объектов (частиц, подсистем, систем и т.д.), которые являются слагаемыми энтропии, что и обеспечивает возрастание максимально возможного значения энтропии . Этот процесс мы и называем эволюцией.

Вселенная расширялась и охлаждалась, частицы теряли энергию и конденсировались в атомы, в основном, водорода. Правда, считается, что на этой же стадии присутствовал и гелий (порядка 30%). Более тяжелые элементы практически отсутствовали, они образовались на более поздних этапах эволюционного процесса.

Любые неоднородности плотности водорода усиливаются силами гравитации, и водородно-гелиевое облако распадается на сгущения (протогалактики). Из сгущений внутри галактик рождаются звезды первого поколения. Здесь пока нет полной ясности. Возможно, звезды рождались по мере сжатия протогалактики.

Возможна и другая версия, согласно которой сначала протогалактическое облако сжимается до критических размеров. Квазары - огромные квазизвездные космические тела, соизмеримые с размерами солнечной системы, состоящие из вещества, вращающегося вокруг центра с огромной скоростью, обнаруженные на самых границах наблюдаемой части Вселенной; то есть мы видим их такими, какими они были миллиарды лет назад. Возможно, именно в квазарах синтезировался гелий. Может быть, поэтому квазары становятся неустойчивыми и взрываются, а из продуктов взрыва в процессе их рассеяния вследствие гравитационного сжатия локальных сгущений и формируются звезды первого поколения. Так это было или не так, мы можем только догадываться, о квазарах мы знаем очень мало.

Газовое облако будущей звезды сжимается силами гравитации. Скоро это сжатие замедляется возрастающим давлением разогревающихся недр звезды, в которых начинаются реакции термоядерного синтеза. Водород превращается в гелий, а из гелия синтезируются более тяжелые элементы, которые опускаются к центру звезды. Звезда это котел, в котором «варятся» тяжелые элементы, происходит усложнение структуры вещества. Это делает звезду нестабильной, и она взрывается как сверхновая, формируя газово-пылевые облака, обогащенные тяжелыми элементами. Центральная часть звезды испытывает сильное сжатие, на ее месте образуется белый карлик, нейтронная звезда или черная дыра, если масса звезды превышала 50 масс Солнца. Раньше в нашей галактике звезды взрывались примерно раз в год, теперь раз в 30 лет.

Солнечная система родилась около пяти миллиардов лет назад путем конденсации газово-пылевого облака. Поэтому Солнце - это звезда второго поколения. Солнце и планеты формировались, по-видимому, одновременно. По мере сжатия газово-пылевого облака происходит соударение и слипание частиц пыли в более крупные образования (метеориты), из которых впоследствии формируются астероиды. Ближе к Солнцу могут образовываться тела только из тяжелых и тугоплавких материалов. Легкие вещества испаряются и улетучиваются на более дальние орбиты. Поэтому ближние к Солнцу планеты более твердые. Они образуются путем слияния астероидов и осаждения пыли на орбите данной планеты. Постепенно орбита очищается. Наблюдения показывают, что динамика образования кратеров на Меркурии, Марсе и Луне примерно 4,6 миллиардов лет назад была в сотни раз выше, чем сегодня. Дальние планеты-гиганты имеют меньшую плотность.

Орбиты планет близки к окружностям, диаметры которых подчинены правилу золотого сечения (закон Боде). Согласно закону Боде между Марсом и Юпитером должна находиться еще одна планета, вместо которой обнаружен пояс астероидов. Возникли разного рода фантастические предположения о гибели существовавшей когда-то на этой орбите планеты Фаэтона. Об этом же свидетельствуют и некоторые мифические сюжеты. Ученые же считают, что эта орбита является естественной границей между малыми плотными планетами и планетами-гигантами, что породило неустойчивость, не позволившую здесь сформироваться ни малой планете, ни планете-гиганту. Гравитационное воздействие соседних планет, особенно планет-гигантов, слишком рассеяло протопланетное сгущение будущей плотной планеты, разбросав астероиды на более вытянутые орбиты. Поэтому пояс астероидов остался практически в своем первозданном виде. Кстати, это несколько перекликается с легендой о Фаэтоне.

Выводы.

  1. К моменту образования Земли эволюция Вселенной подготовила возможность зарождения земной жизни.
  2. Расширяясь, Вселенная быстро остывает, что приводит к возникновению фрактальных структур, объединяющих в себе порядок и случайность, хаос. Во фрактальных структурах сложность достигается повторением по определенному алгоритму более простых структур (фрактальных генов). Примерами фрактальных структур являются снежинки, морозные узоры на стекле, береговые линии морей, ветви дерева, спиральная формы ракушек и т.п. Особенно типичными фрактальными структурами являются биосистемы. Обычно фрактальные структуры возникают при сравнительно быстрой потери энергии в открытой системе, когда элементы системы не успевают перестроиться в симметричные упорядоченные структуры, типа правильных кристаллов, поэтому в них сохраняется доля хаоса.
  3. При остывании появляется возможность устойчивого существования все более сложных структур, которые разрушились бы при более высоких энергиях.
  4. По мере расширения Вселенной усложняются формы организации материи, то есть сложность форм как-то связана с объемом Вселенной.
  5. Пока Вселенная расширяется, эволюцию не остановить. Не известно, является ли именно расширение Вселенной движущей силой глобального эволюционного процесса, но эти два процесса, вероятно, тесно связаны друг с другом.

4.3. Эволюция жизни на Земле

Существует несколько теорий появления жизни на Земле. Из них можно выделить три наиболее известные:

  • теория креационизма (от английского слова create - создавать) - жизнь создана высшим существом - Богом;
  • теория панспермии - жизнь принесена на Землю из космоса; так уже в метеоритах находят белковые соединения;
  • теория эволюции - жизнь на Земле народилась вследствие естественных законов усложнения форм организации материи.

У каждой теории есть свои плюсы и минусы, свои сильные и слабые стороны. Так теория панспермии многое объясняет, но не решает вопроса о происхождении жизни во Вселенной вообще, вопрос лишь отодвигается на более далекие космические объекты. К тому же существует ряд веских аргументов в пользу земного происхождения жизни. Например, известно, что только земная биоорганика обладает оптической асимметрией. Так если раствор сахара, полученного из свеклы («живой сахар»), осветить лучом поляризованного света, то плоскость поляризации луча на выходе оказывается смещенной вправо на некоторый угол. Если же сахар синтезирован искусственным путем, то такой раствор не поворачивает плоскость поляризации света. Вся биоорганика Земли поворачивает плоскость поляризации света. Вся «космическая» и искусственная органика оптически нейтральна.

Известно также, что вся биоорганика Земли имеет единый генетический код. Информация о строении белков организма хранится в закодированном виде в структуре молекул ДНК. Правила кодировки нам известны, но они не поддаются какой-либо логике. Похоже, что природа установила эти правила произвольным образом, как, например, в компьютерной таблице кодировки символов. Но однажды принятый «стандарт» един для всех биосистем Земли и никогда не нарушается.

Известно также, что вся биоорганика Земли имеет единый генетический код. Информация о строении белков организма хранится в закодированном виде в структуре молекул ДНК. Правила кодировки нам известны, но они не поддаются какой-либо логике. Похоже, что природа установила эти правила произвольным образом, как, например, в компьютерной таблице кодировки символов. Но однажды принятый «стандарт» един для всех биосистем Земли и никогда не нарушается.

Теория креационизма хорошо вписывается в принцип роста энтропии и легко объясняет природу целесообразности в устройстве Вселенной.

В то же время теория эволюции подтверждается огромным количеством научных фактов. Слабым местом эволюционизма является отрицание всякого рода целесообразности в природе и признание случайности, господствующей в эволюционном процессе, что никак не согласуется с данными статистического анализа, который говорит, что всего времени существования Выселенной не хватит на то, чтобы воспроизвести существующие формы случайным образом. В то же время новые достижения синергетики (науки о самоорганизации) и неравновесной термодинамики позволяют надеяться на то, что в научном понимании жизни уже в ближайшее время ожидается существенный прорыв. Мы уже понимаем механизмы самоорганизации. И все же целесообразность Вселенной не вписывается в концепции «слепых законов природы». Необходимо всегда помнить о принципе дополнительности. Теория эволюции, безусловно, идет по верному пути, но эмерджентные свойства природы оказываются близкими к идеальным формам, до сих пор остающимся лишь в ведении религиозных и мистических культов и учений. Земная жизнь является естественным следствием глобального эволюционного процесса, который в свою очередь достаточно однозначно (телеологично) «запрограммирован» в структуре изначальных принципов существования Вселенной.

Под действием сил гравитации протопланетное облако сжимается, и недра планеты значительно разогреваются. Сейчас температура ядра Земли составляет порядка 4000-5000°С. Уплотнение протопланетного сгущения и нарастание температуры недр свидетельствует об уменьшении энтропии внутри планеты, а значит, и о процессах структурообразования (для тепловой энергии высокая температура является показателем низкой энтропии). В соответствии с теорией самоорганизации это говорит о том, что планета является типичной устойчивой самоорганизующейся системой. Другими словами, это есть одна из форм небиологической жизни.

По мере возрастания температуры недр возрастает и поток энергии в космос, который выступает для разогревающейся планеты в роли «холодильника». Согласно принципу Ле Шателье - Брауна это приводит к формированию структур, аккумулирующих энергию, уменьшая темпы остывания планеты, то есть происходит формирование своего рода «теплоизолирующего» слоя планеты. Сначала идет кристаллизация минералов земной коры, потом - химическое усложнение вещества по цепи: органика – полимеризация - белки+РНК - ДНК. Следует отметить, что органика начинает образовываться уже при соударении частиц пыли в процессе образовании метеоритов, однако на поверхности планеты долгое время сохраняются более стабильные условия, поэтому она является идеальной и очень мощной химической лабораторией. В результате вместе с возрастанием температуры недр планеты происходит уменьшение температуры на ее поверхности. То есть в недрах планеты формируется и поддерживается значительный температурный градиент. Это значит, что из одного слоя планеты в другой последовательно движется мощный поток энергии, который достигает поверхности планеты уже будучи практически полностью деградированным (низкотемпературным). На что же расходуется изначально заложенная в нем информация? Согласно теории самоорганизации, информация может расходоваться только на формирование и поддержание упорядоченных структур. Значит, недра планеты имеют достаточно сложную организацию. И эта организация усложняется по мере того, как разогреваются недра планеты и остывает ее поверхность.

Насколько мы знаем, в настоящее время недра планеты больше не разогреваются, то есть ее структура остается достаточно стабильной. Иная картина складывается на ее поверхности. Здесь можно выделить два основных источника энергии: энергия Солнца и энергия недр планеты. В период разогревания планеты, по-видимому, именно за счет возрастающего потока энергии из ее недр формировались и усложнялись первые формы биологической жизни. По мере ослабевания темпов разогрева недр планеты и роста мощности «теплоизолирующего» слоя понижается температура на поверхности и поток собственной энергии планеты уменьшался. Поэтому тем формам жизни на поверхности планеты, которые существуют за счет этого потока энергии, суждено, вероятно, постоянно уменьшать сферу своего присутствия. В наше время она представлена лишь хемосинтезирующими бактериями и некоторыми многоклеточными организмами в глубоководных впадинах. Чем ниже температура на поверхности планеты, тем интенсивней поток энергии, приходящей от Солнца. Именно это, по-видимому, является движущей силой эволюции на Земле. То есть сложность форм жизни в биосфере, судя по всему, находится в обратной зависимости от средней температуры поверхности Земли.

Динамика остывания поверхности планеты в условиях стабильности температуры Солнца обеспечивает однонаправленность процессов усложнения форм молекул. Возможно, существует еще немало подобных факторов, посредством которых планета, Солнце, космос и в конечном итоге вся Вселенная направляют, «руководят» процессами самоорганизации. В любом случае именно метасистема «отбирает» и «закрепляет» те формы макромолекул, которые претендуют на будущность. Когда наступает предел возможностей «неживой» органики по обеспечению энергобаланса, на поверхности планеты возникают сложные формы, которые мы по праву можем назвать живыми существами, точнее, биологической жизнью.

Уже на уровне макромолекул можно говорить о жизни в общепринятом понимании. Так молекула фермента лизоцима состоит из тысячи атомов, расположенных в форме шарика, напоминающего приоткрытую «пасть», которая захватывает полисахариды, входящие в состав оболочек бактерий, разрушая их. После этого молекула восстанавливает свою структуру и вновь «открывает пасть». Вершина эволюции молекул - вирусы, являющиеся сложными молекулярными комплексами, основами которых являются молекулы ДНК, окруженные белковыми оболочками.

Пьер Тейяр де Шарден предполагал, что прежде, чем была создана первая живая клетка, на Земле существовала эра вирусов, которую он назвал «забытой эпохой». Вероятно, мы уже никогда не сможем найти реликтовые макромолекулы. Современные вирусы не могут жить автономно. Они либо вошли в состав более сложных живых организмов (клеток), либо стали паразитами. Шарден назвал этот закон «устранением эволюционных черешков». Современная жизнь даже в простейших формах в корне отличается от аналогичных форм в прошлом, так как во многом трансформирована современной реальностью. Раз возникнув и закрепившись, любая форма вплетается в ткань Вселенной и меняется до неузнаваемости.

В то же время зарождение принципиально новых форм будет уничтожено современной жизнью. Именно поэтому мы сейчас не наблюдаем явлений самозарождения жизни. По словам И.С. Шкловского, микроорганизмы и вирусы буквально съедят уже первые ростки новой жизни. По словам Шардена, появление биосферы обеднило первоначальный химизм планеты, поэтому данный феномен зарождения жизни больше не может повториться в естественных условиях. Поэтому одной из особенностей современной жизни является подчинение ее закону, окончательно доказанному Пастером и более известному под названием «принцип Реди»: все живое происходит только от живого. Имеется мнение, что этот принцип действовал всегда. То есть единственным объяснением того, как могла возникнуть жизнь, является то, что вся Вселенная, породившая эту жизнь, сама является живым существом.

По теории Опарина, первые клетки возникли в результате эволюции коацерватных капель. Это пример агрегации (создание групп с определенной внутренней структурой) в мире макромолекул. Крупные молекулы имеют обычно довольно сложную форму. Они окружают себя молекулами воды, тем самым упорядочивая их. В соответствии со вторым законом термодинамики система стремится уменьшить количество порядка. В данном случае это достигается путем уменьшения суммарной поверхности органики, упорядочивающей воду. Поэтому энергетически более выгодно оказывается слияние молекул органики в каплю. Сложные капли способны улавливать и впитывать в свою структуру вполне определенные вещества из окружающего их раствора, поддерживая этим стабильность своей структуры и состава внутренней среды.

Агрегация клеток приводит к возникновению многоклеточных организмов. Эволюция многоклеточных сначала шла по линии усложнения физиологии, потом (а частью и одновременно) поведения по цепи: раздражимость – инстинкт – психика - сознание. Эволюция поведения свидетельствует об агрегации многоклеточных организмов, то есть о формировании и эволюции систем более высокого иерархического уровня: социальных систем типа стаи, общества и т.п., которые с полным правом можно назвать социальными живыми существами. Наиболее яркими примерами таких существ являются муравейники, пчелиные семьи, человеческая цивилизация и т.п. Здесь присутствуют все признаки органичной целостности и функциональной взаимозависимости, которую мы в своей жизни называем разделением труда. Наблюдая эволюцию социальных форм жизни, в частности на примере истории человечества, можно понять суть самого алгоритма эволюции.

Было время, когда жизнь на поверхности Земли развивалась только за счет разогревающихся недр планеты, потом она «открыла» новый источник энергии - Солнце. При этом она «изобрела» хлорофилл, позволивший связывать и аккумулировать солнечную энергию. Это дало энергетическую подпитку теплоизоляционному слою планеты, что позволило стабилизировать условия на ее поверхности (жизнь обладает средообразующей функцией, стабилизируя окружающую среду). Возможно, сейчас мы являемся свидетелями того, как планета пытается найти новый источник энергии. Может быть, для этого мы и созданы, для этого природа и наделила нас исследовательским даром? Мы даже очень преуспели, не только затормозив естественную тенденцию к остыванию поверхности планеты, но и, наоборот, повысив ее среднюю температуру. Но мы почему-то стали неуправляемыми. Нас не просили повышать температуру, нужно было только стабилизировать ее, то есть выполнить требования принципа Ле Шателье в ответ на остывание. К тому же найденные нами источники энергии достаточно быстро исчерпаются. Значит, это не выход. Значит, нам еще предстоит долгий поиск. Может быть, поэтому природа включила механизм безошибочного поиска, который мы наблюдаем сейчас в форме бурного всплеска нашей цивилизации? Кто-то из нас обязательно должен нащупать единственно верное решение, то есть найти новый неисчерпаемый экологически чистый источник энергии.

4.4. Характерные черты эволюционного процесса

На основе всего сказанного можно сделать ряд выводов в отношении характерных особенностей эволюционного процесса.

Эволюция есть следствие единства Вселенной: расширение Вселенной в соответствии с принципом Ле Шателье вызывает ответный поток роста сложности организации ее структуры. Эволюцию нельзя остановить, пока расширяется Вселенная. Эти два процесса, по-видимому, взаимодополнительны. Объем Вселенной и сложность ее структур взаимоувязаны.

Для усложнения своей структуры природа задействует «взрывной механизм». То есть по мере расширения, являющегося результатом предыдущего взрыва, происходят локальные сжатия (консолидация) элементов, которые на более высоких стадиях эволюции выступают в форме агрегации (другими словами, агрегация есть более сложная форма гравитации, своего рода биогравитация). Взаимодополнительность расширения и сжатия можно проиллюстрировать рядом примеров. Так один из проектов энергетической подпитки луноходов с Земли посредством лазерного луча предусматривал создание на пути луча псевдолинзы, представляющей собой расширяющееся мелкодисперсное облако. Было доказано, что такое облако оказывает на луч действие, аналогичное собирающей линзе. Имеются и более известные нам примеры. Например, свободное расширение в пространстве облака водяного пара (адиабатическое расширение) приводит к уменьшению его температуры, что вызывает процессы конденсации молекул воды в капли.

В общем случае принцип дополнительности расширения и сжатия можно сформулировать следующим образом: расширение системы в пространстве ее степеней свободы приводит к возникновению процессов локальных сжатий в направлениях, перпендикулярных вектору расширения в данной локальной области, что вызывает дифференциацию структуры системы в целом; в свою очередь любое сжатие в системе приводит к формированию новых степеней свободы, в которых система продолжает свое расширение, сопровождающееся дифференциацией данной локальной области, и т.д.; все это в конечном итоге приводит к усложнению структуры системы или к ее эволюции. В данном определении в качестве движущего фактора эволюции системы принято ее расширение, хотя принцип дополнительности говорит о равноправии расширения и сжатия. Ситуация несколько напоминает распространение электромагнитной волны, в которой изменение электрической составляющей порождает магнитную составляющую, та в свою очередь, изменяясь, порождает электрическую составляющую и т.д. Что первично, а что вторично выявить невозможно.

Конкретные механизмы всех этих процессов как обычно могут быть самыми неожиданными. Природа очень изобретательна. Так, например, одним из частных примеров может являться стратегия жизни, которую удачно описал Пьер Тейяр де Шарден. Согласно Шардену, жизнь действует путем создания множества различных вариантов (мутаций), которое, расширяясь во всех возможных направлениях, обязательно найдет верные решения задачи поиска наиболее удачной организации живых существ, отвечающих требованиям внешней среды в данный момент времени. Он назвал это техникой пробного нащупывания, которая есть «неотразимое оружие всякого расширяющегося множества. В нем сочетаются слепая фантазия больших чисел и определенная целенаправленность. Это не просто случай, с которым его хотели смешать, но направленный случай. Все заполнить, чтобы все испробовать. Все испробовать, чтобы все найти». «Размножаясь в бесчисленности, жизнь делает себя неуязвимой от наносимых ей ударов и умножает свои шансы на продвижение вперед». «Нащупывающее изобилие, созидательная изобретательность, безразличие ко всему, что не является будущностью - таковы три тенденции, поднимающие жизнь все выше и выше».

Когда какой-то вид сталкивается с определенной проблемой, например, с изменением условий существования, то в нем увеличивается количество мутаций, которые «прощупывают» все возможные варианты изменения структуры организма. Неудачные мутации «забраковываются» внешней средой. Среди огромного количества неудачных вариантов, заполняющих собой все пространство потенциальных возможностей, обязательно найдутся варианты, для которых новые условия среды окажутся наиболее оптимальными. Такие решения получают преимущества во внутривидовой конкуренции, быстро заполняя собой имеющиеся экологические ниши. В результате со временем количество вариантов уменьшается до нескольких наиболее удачных решений. Остальные уходят с арены жизни, обогатив ее опытом ошибок. Они как бы отдают свою жизненную силу тем, кто «угадал» правильный путь. Все работает на благо выживания вида в целом, а не отдельной особи.

Если изобразить этот процесс в виде графа решений (рис.4.2), то мы увидим, что из одной исходной точки выходит множество ветвей, большинство из которых оканчиваются достаточно быстро, другие же, наоборот, усиливаются и расширяются. Процесс завершается формированием нескольких устойчивых ветвей (фил), которые в дальнейшем структурно практически не изменяются. Это и есть иллюстрация процесса консолидации в пространстве решений. В свою очередь внутри каждой филы по мере консолидации может происходить свой «взрыв внутрь собственного пространства системы», то есть своя дифференциация, например, создание социальной структуры типа стаи с четким разделением обязанностей и т.д.

Рис. 4.2

Происхождение видов обычно изображают в форме так называемого филогенетического дерева, построенного по оси времени. Ветви дерева называются филами. Точки разветвления фил называются мутовками. В мутовках берет начало целый букет новых видов. Некоторые уже вымерли, другие дошли до наших дней, третьи породили новые мутовки и ушли с арены жизни. Особенность мутовки в том, что в одно время рождаются самые непохожие друг на друга организмы. Будущее принадлежит лишь некоторым мутантам, которые появляются практически сразу же в законченном виде, то есть без каких-либо промежуточных звеньев, и после этого они почти не изменяют своих структур. Правда, здесь есть некоторые особенности, направляющие сам процесс мутаций, о которых мы поговорим позднее, когда будем рассматривать концепцию экологической ниши.

Существует точка зрения, что человекообразные (а возможно и все) обезьяны, реликтовые гоминоиды (петикантроп, неандерталец и т.п.) и современные люди возникли одновременно в процессе единой мутовки, поэтому бесполезно искать промежуточные ветви. Поэтому человек, скорее всего, не произошел от человекообразной обезьяны, но мы имеем общего предка.

Есть основание полагать, что наибольшей изменчивостью обладают наиболее развитые в данный момент виды организмов. То есть филогенетическое дерево «растет» в основном в его вершине. То есть сейчас наиболее интенсивно эволюционирует человек, как наиболее сложная на Земле форма организации материи. Наиболее развитый вид не имеет врагов, поэтому заполняют все доступное пространство, после чего дальнейшее усложнение жизни количественным путем становится невозможным, поэтому формируется мутовка, одним из механизмов которой является, по-видимому, кровосмешение.

На нашем примере мы можем предположить наличие определенного алгоритма видообразования - при возникновении специфических условий сначала происходит поиск и формирование новой структуры самого высокого для данного вида уровня организации (для человека - ментальной). После того как такая структура найдена, волна изменений последовательно опускается на более нижние уровни организации, меняя всю биологию нового вида вплоть до генетического кода.

Современному человеческому обществу присущи все признаки мутовки. Для нашего времени характерно слияние огромного разнообразия идей, религий, систем и учений, которые до этого развивались в относительной изоляции друг от друга («идеологическое кровосмешение»). Это ломает многие стереотипы и ограничения человеческого мышления. Слияние различных ранее несопоставимых идей во всевозможных сочетаниях порождает новые направления и оттенки, которые порой совершенно не похожи на своих «родителей». Таким образом, мы наблюдаем взрыв идейных мутаций. Большинство из этих мутаций нежизнеспособно. Но разнообразие идей так велико, что заполняет собой все имеющиеся возможности, то есть оно обязательно содержит в себе те истинно верные направления, которые в эпоху перемен способны спасти человечество от гибели практически при любом внешнем воздействии. Тот, кто «угадает» правильный образ жизни в совершенно новых условиях, тот обеспечит себе будущее. И тогда наступит эпоха мощного броска вперед, новый «золотой век» нового человечества.

ПОВТОРИМ

  1. Дать понятие энтропии и информации. Принцип роста энтропии.
  2. Понижение энтропии биосистемами. Принцип самоорганизации.
  3. Принципы и условия, выполнение которых необходимо для возникновения самоорганизации.
  4. Современная космологическая модель Вселенной.
  5. Теории появления жизни на Земле.
  6. Основные этапы эволюции жизни на Земле
  7. Характерные черты эволюционного процесса

Глава 5

ПЛАНЕТА КАК ЖИВОЙ ОРГАНИЗМ

Если принцип подобия части и целого действительно пронизывает все уровни мироздания, то нельзя ли его применить «от обратного»? Мы знаем, как устроен человеческий организм. Но ведь это ни что иное, как четко организованная колония одноклеточных существ, каждый из которых заботится о собственном самосохранении. В то же время каждая клетка призвана выполнять определенные функции на благо организма в целом. Иногда приходится даже жертвовать собственной жизнью. Не является ли человек и все живое на планете аналогичными составляющими единого живого существа астрономических масштабов - планеты Земля? Если это действительно так, то многое становится понятным, в частности роль человека на планете и во Вселенной в целом, цель и смысл его существования. Многое встает на свои места и в понимании противоречивых взаимоотношениях человека с природой, а также с высшей сущностью, которую люди называем Богом.

5.1. Социальные формы существования материи

В предыдущей главе мы выяснили, что самоорганизующиеся системы, в том числе и живые организмы, могут существовать только в потоке энергии, из которого они черпают информацию для упорядочения своей внутренней структуры. Чем сложнее структура организма, тем больший поток информации из окружающей среды требуется для того, что поддерживать эту структуру в упорядоченном состоянии, тем большим разрушениям подвергнет он окружающую среду. Если организм развивается, то количество потребляемой информации оказывается большим, чем это требуется для поддержания упорядоченности. Излишек потребленной информации накапливается в усложняющейся четко упорядоченной структуре организма. Таким образом, организм аккумулирует в себе информацию (порядок), и чем сложнее структура организма, тем больше информации в нем аккумулировано.

Мы пока еще не привыкли оперировать понятием информации. Тем не менее, это вполне реальная физическая величина, обратная энтропии. В физике понятию информации в наибольшей мере соответствует понятие свободной энергии, то есть энергии, информационное содержание которой (качество) выше (а энтропия ниже), чем качество энергии в окружающей среде. Поэтому вместо потока информации в настоящее время часто говорят о потоке энергии, вместо накопленной информации говорят о накопленной энергии, хотя это не совсем корректно. Отдавая дань традиции, в дальнейшем мы также будем оперировать понятием энергии, не забывая при этом, что речь идет именно о свободной энергии, являющейся своего рода мерой информации.

Таким образом, чем сложнее форма организации системы, тем больший поток энергии требуется для поддержания стабильности ее структуры и, наоборот, если поток энергии, проходящий через систему, усиливается, то структура системы усложняется. Пример: турбулентное течение жидкости в трубе. Пока разность давлений на концах трубы, по которой течет жидкость, незначительна, отдельные струи потока не перемешиваются (ламинарное течение), то есть поток оказывается упорядоченным. Когда давление превышает определенное критическое значение, отдельные струи начинают закручиваться в вихри, которые перемешиваются друг с другом. Чем больше разность давлений, тем сложнее картина потока, тем больше энергии аккумулирует в себе поток. То есть можно провести прямую зависимость между сложностью организации потока энергии и количеством энергии, переносимым данным потоком.

Как мы выяснили в предыдущей главе, жизнь на поверхности Земли зарождалась и развивалась в условиях постепенно увеличивающегося потока энергии от Солнца (в результате остывания поверхности планеты). Это говорит о том, что структура биосферы должна постоянно усложняться. Поэтому на протяжении всей истории жизни мы наблюдаем неуклонное усложнение организмов, увеличение видового разнообразия, а также увеличение количества структурных уровней в иерархической организации биосферы. Все это порождает ряд более частных законов, которым подчиняется эволюция биосистем Земли.

К числу таких законов можно отнести в частности закон максимизации энергии, который гласит: «Выживание одной самоорганизующейся системы в конкуренции с другими определяется ее способностью организовать поступление наибольшего количества качественной (высокоинформационной, или низкоэнтропийной) энергии и использовать эту энергию с наибольшей эффективностью (в максимальной степени уменьшить внутреннюю энтропию системы за счет увеличения энтропии выходного потока)». Поэтому энергетическая конкуренция в условиях ограниченного количества энергии, поступающей от Солнца, способствует усложнению форм организации систем. Более сложные устойчивые структуры потребляют больше энергии, лишая ее менее сложные структуры.

Имеется и обратная тенденция. Так среди форм с одинаковой сложностью наибольшие шансы на выживание имеют системы с минимальным расходом энергии, необходимым для поддержания внутренней структуры, то есть с наименьшим приростом внутренней энтропии в единицу времени на каждую единицу информации, аккумулированной в структуре данной системы. Такая структура называется более эффективной, или энергетически более выгодной. Поэтому по мере роста сложности конкуренция способствует росту упорядоченности внутренних процессов.

Таким образом, эволюционный процесс неизбежно сопровождается ростом сложности организации и ростом упорядоченности систем. Рассмотрим один из механизмов реализации этих тенденций.

Размножение живых существ и рост индивидуальных различий между ними (дифференциация) можно рассматривать как частный случай разбегания в собственном пространстве степеней свободы данной биосистемы. В соответствии с принципом Ле Шателье-Брауна подобное разбегание вызывает локальные сближения отдельных групп элементов в плане общности свойств, то есть специализацию. Это сдерживает рост энтропии системы. Данное сближение опять же в соответствии с принципом Ле Шателье-Брауна в свою очередь может вызвать ответное разбегание в каких-то внутренних аспектах системы, и т.д.

Все это можно проиллюстрировать на идеализированном примере нашей цивилизации (особенно это заметно в больших городах). Будем считать, что изначально каждый человек вынужден был сам выполнять все необходимые для жизни виды трудовой деятельности (натуральное хозяйство). Рост численности населения в условиях ограниченного пространства сопровождается разделением труда и сближением отдельных групп людей по роду их трудовой деятельности (специализация, кустарное производство). Это сближение в свою очередь вызывает дифференциацию (разбегание) уже внутри данного вида трудовой деятельности, что вызывает более узкую специализацию (эволюция данного вида трудовой деятельности). Это приводит к сближению разных узкоспециализированных групп в четко организованные системы, где каждой группе выделено свое место, функция, роль (фабрики, заводы, учреждения и т.п.). Такие организации, как известно, более конкурентоспособны, чем кустарные производства и тем более натуральные хозяйства.

Чем четче специализация и чем больше упорядоченность организации системы, тем меньше энергии требуется на поддержание структуры. Чем сложнее организация, тем больший поток энергии способна ассимилировать (пропустить через себя с соответствующим повышением энтропии) система. Все это способствует увеличению ее конкурентоспособности. Таким образом, кооперация отдельных составляющих в четко организованные системы с узко специализированным распределением функций внутри данных систем оказывается энергетически более выгодной по сравнению со слабоструктурированной системной организацией. То есть действие принципа оптимальности неизбежно способствует агрегации в природе.

Закон Фишера: «Чем выше сложность и больше разнообразие функций в организации сложной системы (в живой природе это достигается видовым разнообразием), тем больше ее устойчивость, то есть ее защищенность от случайностей».

Если вы помните, разнообразие создает многомерный базис, на который проецируется любое внешнее явление. Это и позволяет биосистеме сформировать более правильную реакцию на внешнее воздействие. Как уже отмечалось, разнообразие функций может быть повышено путем консолидации элементов различного происхождения в единую систему, то есть путем агрегации. При объединении такие элементы получают особые внутрисистемные функции, наиболее соответствующие их изначальной природе. Это повышает энергетическую эффективность системы. Поэтому агрегация присутствует на всех уровнях природных систем.

По сути дела, именно агрегация является механизмом формирования иерархической лестницы природных систем:

  • агрегация элементарных частиц рождает атомы,
  • агрегация атомов - молекулы,
  • агрегация молекул - макромолекулы (полимеры), вирусы и т.п.,
  • агрегация макромолекул - клетки,
  • агрегация клеток - многоклеточные организмы,
  • агрегация многоклеточных организмов - социальные формы жизни (социальные организмы).

С каждым новым иерархическим уровнем количество элементов уменьшается, зато возрастает сложность системной организации, так как помимо простой суммы объединенных в систему элементов возникают новые связи между этими элементами. Именно эти связи рождают те новые (эмерджентные) качества, которые отсутствуют на предыдущем уровне системной иерархии.

Чем четче специализация и чем сложнее организация, тем сильнее система проявляет себя как единое целое (организм), тем сильнее ее эмерджентные качества и тем труднее выявить те конкретные внутрисистемные связи (и даже целые комплексы связей), которые породили ту или иную эмерджентность данной системы. Каждая эмерджентность подчинена определенной внутрисистемной цели. Весь комплекс эмерджентностей данной системы оказывается слитым в единое целое. Он, с одной стороны, стабилизирует структуру системы, а с другой стороны, вписывает данную систему в метасистему более высокого иерархического уровня, обеспечивая выполнение данной системой какой-то особой внутриметасистемной функции. Вследствие всего этого он обладает качеством, аналогичным в той или иной степени человеческому разуму, так как призван реализовать внутрисистемную целесообразность. Если система существует долго и устойчиво, то можно сказать, что она гармонична, а потому целесообразность функционирования данного комплекса эмерджентностей подчинена принципу оптимальности, что еще больше усиливает аналогию с разумом.

Конечно, это не человеческий разум. Это лишь проявление целесообразности и оптимальности. Но в сложных системах (например, в экосистеме леса) это проявление настолько сложное, что оно невольно ассоциировалось у наших предков с существом, обладавшим пусть не совсем понятной, но, без сомнения, большой мудростью. А потом уже богатая фантазия довершает дело, пририсовывая к этой мудрости тело, похожее на человеческое. Всему, что мы понять не в состоянии, мы пытаемся поставить более понятный нам образ. Так, например, электрон мы пытаемся представить в виде некоторого облачка или шарика, хотя ни то, ни другое ничего общего не имеет с реальностью. Наверное, именно это лежало в основе одушевления различных сил (внутрисистемных связей) природы и возведения их в ранг богов, полубогов и т.п.

В этом плане наши предки были более наблюдательны, чем мы. Современный человек проникнут идеями редукционизма, и стремится все разложить по полочкам, выяснить «как это устроено». Но через микроскоп не увидишь слона. Для этого надо расширить поле зрения. Это у наших предков получалось гораздо лучше. Мы же только в рамках системного подхода начинаем приближаться к подобному пониманию природы.

Поэтому у нас еще не существует даже терминов, которыми можно было бы обозначить некоторые природные феномены. Так, например, описанный выше комплекс эмерджентностей сложной системы в его целостности в мистике носит название эгрегор, что с некоторым приближением можно перевести как сверхэго социального организма.

Эгрегор – это некое системное качество (идеальная сущность), принадлежащее только системе в целом (аналог индивидуальности системы вплоть до аналога личности), возникающее как следствие упорядоченности внутрисистемной и межсистемной организации, обладающее определенной самостоятельностью (свободой выбора) и управляющее данной системой по принципу целесообразности. Человеческая личность – это тоже эгрегор, но довольно высокого уровня сложности. Она рождается как следствие информационных процессов, происходящих внутри организма человека, а также внутри человеческого общества (метасистема), на планете в целом, а в конечном итоге во Вселенной. Некоторые конкретные механизмы функционирования эгрегора в форме гипотезы будут рассмотрены ниже.

Таким образом, под организмом мы будем понимать самоорганизующуюся систему, которая представляет собой агрегацию элементов с четкой специализацией функций, ориентированных на поддержание устойчивости системы в целом, в результате чего поведение элементов подчинено целостному комплексу эмерджентностей системы (эгрегору).

В принципе, любую форму жизни можно назвать социальной формой по отношению к существам более низкого уровня данной иерархии. Последней наблюдаемой нами ступенью агрегации являются так называемые социальные системы или, образно говоря, «многоособевые организмы». Примерами таких систем могут служить муравейники, пчелиные семьи и т.п.

Так, инстинкты муравья, например, можно понять только изучая муравейник как единый организм. И не важно, что «клетки» этого организма очень подвижны. Внутри данного организма наблюдается четкое разделение функций, выразившееся даже в изменении строения тел различных групп насекомых. Здесь есть муравьи-самки, муравьи-самцы, воспитатели, строители, воины и т.п. Их специализация закреплена в особенностях строения их тел. Каждый муравей в отдельности нежизнеспособен. Все переплетено и отлажено. И не только муравьи населяют муравейник. Для усиления разнообразия функций внутри муравейника присутствуют и другие формы жизни, взаимоотношения с которыми достигли симбиоза. Например, некоторые тропические муравьи разводят для своего питания целые грибные сады на листьях, принесенных в муравейник. Муравьи специально удобряют посевы грибов, что ускоряет разложение листьев, потому что в фекалиях муравьев содержатся ферменты, которых нет у грибов. Только после этого грибы могут успешно размножаться на свежих листьях. Подобных примеров огромное множество. Для них характерно проявление четкой органичной взаимосвязи всех подсистем, не позволяющей разложить целостную систему на независимые компоненты. Это и есть отличительная особенность живого организма. Вся совокупность внутрисистемных связей муравейника образует нечто целостное, неразрывно связанное с муравейником и управляющее всей его жизнью – «дух муравейника», или его эгрегор.

К аналогичным социальным видам относится и человек. Человеческое общество все больше напоминает единый высокоразвитый организм, который обладает индивидуальностью (эгрегором) в той мере, в какой дифференцированы и специализированы внутриобщественные связи.

Этот вывод можно применить практически к любой биосистеме. Так четко организованная и высоко дифференцированная колония клеток организма человека имеет свой эгрегор, который находит многочисленные проявления в его инстинктах, психике, разуме и т.п. Даже отдельная группа людей, объединенных какой-то целью (возможно, даже временной) имеет свой эгрегор (эгрегоры семьи, коллектива, толпы и т.п.). Любая стая или стадо животных объединяется в единое целое соответствующим эгрегором (эффект стаи). Любая экосистема также имеет свой эгрегор, сложность проявлений которого зависит от четкости и степени сложности организации данной системы.

Гипотеза Гаи (Гая, или Гея - богиня земли): «Сообщества живых организмов и среда их обитания развиваются как единое целое (социальный организм); при этом не только среда влияет на организмы, но и организмы изменяют среду; то есть организмы вместе с физической средой образуют сложную стабильную саморегулирующуюся систему, в которой сохраняются условия, благоприятные для жизни». В такой формулировке эта гипотеза сейчас практически ни у кого не вызывает возражений. Однако, ее можно существенно расширить.

Известно, что в биосфере все тесно взаимосвязано и взаимообусловлено. Биосфера как организм настолько высокоорганизованна, что не исключено наличие у нее мощного личностного фактора. В недрах Земли также идут какие-то упорядоченные процессы, о чем свидетельствует, в частности, наличие магнитного поля и т.п. Известно, что Земля (не только верхние слои, но и недра планеты) активно влияет на процессы в биосфере. Достаточно вспомнить, что согласно статистическим данным количество землетрясений, извержений вулканов и прочих природных катаклизмов в местах локальных военных конфликтов возрастает. Из всего этого в совокупности с вышесказанным напрашивается вывод: планета представляет собой грандиозный социальный организм со всеми особенностями, свойственными живым организмам, где каждой подсистеме (в том числе и человеческому обществу) соответствует определенное место и особая роль, которую должна играть данная подсистема ради сохранения системной целостности.

Но каким образом система в целом управляет своими подсистемами? Ответ на этот вопрос дает теория биополя.

5.2. Теория биополя

Под биополем понимается упорядоченная пространственно-временная неоднородность в окрестности биосистемы, оказывающая координирующее влияние на все ее подсистемы.

В настоящее время понятие биополя во многом мистифицировано. Им широко пользуется огромная армия экстрасенсов, магов, колдунов и т.п., зачастую совершенно не понимающих сути феномена, на который они пытаются воздействовать, что может приводить к роковым последствиям. Ввиду специфики вопросов, связанных с тайнами человеческого организма, к рациональным моментам теории биополя оказалось примешано значительное количество ошибок, заблуждений и даже откровенного шарлатанства. Ситуация усугублялась тем, что при наличии огромного количества субъективных свидетельств в пользу существования тонкоматериальной оболочки вокруг человеческого тела (ауры), совершенно отсутствовала техническая база для объективной регистрации данного феномена. Положение изменилось после того, как был изобретен метод фотографии в высокочастотных электромагнитных полях (метод Кирлиан), позволивший визуализировать картины, наблюдаемые экстрасенсами. Тем не менее, вопрос о природе биополя до сих пор остается открытым, само его существование вызывает массу споров.

Термин биополе впервые появился в научной лаборатории в связи с опытом по пересадке различных групп клеток развивающегося эмбриона. На первых стадиях развития, когда эмбрион представляет собой пока еще слабо дифференцированную колонию клеток, но в то же время уже понятно, какие ткани и органы образуются впоследствии из той или иной группы клеток, можно попробовать поменять местами эти группы. Пересаженные клетки, в которых уже наметилась специализация на конкретные функции внутри организма, успешно приживаются на новых местах и эмбрион продолжает свое развитие. Идея опыта состоит в попытке «перестроить» организм по своему усмотрению. Опыт не всегда удается. По какой-то причине пересаженные клетки, если их специализация зашла не слишком далеко, «догадываются» о перестановке и «переспециализируются» на новые функции в соответствии со своим новым положением внутри организма. То есть функции, которые должны выполнять клетки организма определяются не происхождением данных клеток, а их пространственным расположением по отношению к другим подсистемам организма. Само пространство внутри организма диктует клеткам, как они должны быть специализированы. Именно эта особенность пространства организма была обозначена понятием биополя.

Сейчас природа этого феномена практически изучена. Выяснилось, что дифференциация клеток эмбриона направляется составом ферментов. Поэтому о биополе уже не вспоминают. Тем не менее, если термин «поле» использовать в широком смысле, то есть как особенности силовой метрики пространства, в силу которой в каждой точке пространства наблюдается направленное воздействие на элементы определенной природы, то в принципе, ничего не изменилось.

Действие биополя (будем считать, что его природа пока еще до конца не ясна) аналогично действию любого другого физического поля. Разница лишь в объектах, на которые воздействует то или иное поле. Так, например, согласно общей теории относительности Эйнштейна гравитационное поле представляет собой искривление метрики пространственно-временного континуума вблизи массивных тел. Траектория любого свободно двигающегося физического тела, обладающего массой, представляет собой прямую линию. Однако в гравитационном поле искривляется само пространство вместе с проведенной в нем прямой линией. Внешне это выглядит как искривление траектории движущегося тела под действием сил гравитации.

Вероятно, аналогичным образом можно представить и действие других сил природы. Делаются даже попытки свести всю физику взаимодействий к геометрии искаженного пространственно-временного континуума. По крайней мере, любое стационарное поле, в принципе, можно представить, как особенность метрики собственного пространства системы.

Под метрикой понимают силовую характеристику данной точки пространства. И, в принципе, не столь уж важно, чем реализуется эта метрика, каким-то фундаментальным явлением, типа гравитации, или же вполне понятным механизмом. Например, метрика теплового поля (температура) определяется средней кинетической энергией молекул, участвующих в тепловом движении в данной точке пространства. Метрика биополя может формироваться набором ферментов в данной области организма. Хотя, скорее всего, это упрощенное понимание природы биополя. Под биополем следует понимать, по-видимому, целый комплекс явлений, так или иначе организующих жизнедеятельность организма и его подсистем в каждой точке пространства внутри организма и, вероятно, за его пределами. В настоящее время имеются факты, говорящие в пользу того, что в состав биополя может входить и электромагнитная полевая составляющая.

Траектория движения, точнее, поведение объектов соответствующей природы (в зависимости от природы рассматриваемого поля) в таком пространстве будет отличаться от геометрически прямой линии. Она может иметь достаточно сложную форму, определяемую полевыми неоднородностями. То есть движение тела к состоянию с наименьшей потенциальной энергией (падение в потенциальную яму) может происходить по весьма сложной траектории.

Среди гипотез, пытающихся раскрыть природу биополя (по крайней мере, его электромагнитной составляющей) наиболее интересна голограммная гипотеза. Ее автором можно считать известного физика Дэвида Бома (правда, Бом рассматривал не столько биополе, сколько модель Вселенной, то есть более широкий аспект). В области нейрофизиологии подобную теорию развил Карл Прибрам, который пришел к выводу, что объяснить загадочные и парадоксальные наблюдения работы мозга можно только наличием в мозге работающих голографических принципов. Эта гипотеза позволяет многое понять в вопросах формирования идеальных образов, взаимосвязи идеального и материального. Именно здесь, по-видимому, кроются механизмы координирующей связи планеты в целом со всеми ее подсистемами.

Принцип голографии кратко можно описать следующим образом (рис.5.1). Лазерный луч (когерентное излучение) расщепляется полупрозрачным зеркалом на два луча: предметный и опорный. Объект, форма которого нас интересует, освещается предметным лучом, который после отражения от объекта интерферирует с опорным лучом. Интерференционная картина фиксируется фотопленкой, которая сохраняет информацию не только об интенсивности излучения, но и о фазе электромагнитной волны в каждой точке. Если теперь проявить фотопленку и осветить ее опорным лучом, то волновой фронт восстановится благодаря дифракции лазерного луча на голограмме. В результате мы получим воссозданный образ (фантом) сфотографированного предмета, передающий ощущение объемности исходного объекта.

Рис. 5.1

Помимо этого голограмма имеет одну интересную особенность: если отрезать от фотопленки небольшой фрагмент и осветить его аналогичным образом, то мы получим не часть изображения, как подсказывает нам здравый смысл, а полный образ исходного объекта, но менее четкий. То есть каждая точка фотопленки хранит информацию о всем изображении. Количество фотопленки лишь усиливает четкость воспроизведенного изображения, но не дополняет его какими-то особыми деталями.

Интересен опыт по облучению колонии живых клеток шумовым электромагнитным полем. При этом отраженное излучение содержит когерентную составляющую, то есть строго синхронизированную по частоте. Авторы опыта считают, что молекулы ДНК можно рассматривать как элементарные лазеры. Комплексы молекул ДНК (генотип) во всех клетках данного организма абсолютно идентичны, которые, поглощая шумовое излучение Вселенной, в свою очередь выдают когерентное излучение, способное формировать полевую интерференционную картину (голограмму), несущую в себе информацию, закодированную в ДНК, и влияющую на движение материи в окрестности биосистемы.

По-видимому, электромагнитная составляющая биополя является подобной интерференционной картиной, представляющей собой стоячие электромагнитные волны. Подобные стоячие волны можно наблюдать на поверхности воды (рябь). При этом кажется, что поверхность воды имеет сложный рельеф, состоящий из неподвижных бугров и впадин. Если на такой бугор положить, например, спичку, то она скатится по поверхности бугра во впадину, то есть в потенциальную яму. Стоячие электромагнитные волны влияют на заряженные ионы, рассеянные в цитоплазме клеток, заставляя их «падать в потенциальные ямы», то есть двигаться не хаотично, а в соответствии с направлением силовых линий поля. Вероятно, этим объясняется строгая упорядоченность внутриклеточных процессов. И порядок этот в соответствии с данной гипотезой организуется строгой упорядоченностью самой полевой структуры, которая в свою очередь поддерживается благодаря информации, заложенной в молекулах ДНК.

Можно предположить, что именно посредством биополя происходит координация всей внутренней жизни организма. Вероятно, интерференционная картина биополя организма очень сложна. Каждой клетке соответствует свой локальный паттерн (картинка), узелок в сложном клубке биополя организма, совпадающий в пространстве с вещественной структурой клетки. Этот паттерн определяет эталон структуры и функциональности клетки, которые в реальности всегда деформированы различными случайными факторами. Рассогласование вещественной и полевой структур клетки на достаточно продолжительное время может привести к гибели клетки, так как в отсутствии полевого упорядочивающего фактора в клетке будет нарастать ошибка в координации внутренних процессов.

Простой пример: я хочу поднять руку. Я вовсе не напрягаю тысячи мышечных волокон в строго дозированных комбинациях, как нас учит наука физиология. Я просто осуществляю определенное волевое усилие. Вероятно, именно это усилие каким-то образом деформирует мое биополе, приводя к некоторому рассогласованию моей «полевой руки» и «вещественной руки». Это рассогласование сразу же регистрируется на клеточном уровне, при этом каждая клетка сигнализирует через нервную систему в мозг о «неприятном» для нее факторе. Мозг, как сложнейший компьютер, анализирует полученную информацию и формирует управляющие сигналы, цель которых - стабилизировать полевую и вещественную структуры организма. Эти сигналы он и отправляет мышечным волокнам. Успешная стабилизация достигается благодаря принципу отрицательной обратной связи, задействованной в данном процессе (этот принцип известен любому инженеру). Аналогичным образом можно объяснить и все другие физиологические процессы.

Доказательством наличия биополевой оболочки, совпадающей с формами нашего тела, могут служить фантомные боли у людей с ампутированными конечностями (например, чешется пятка, которой нет). Имеется ряд свидетельств в пользу того, что люди могли иногда воспользоваться своими фантомными конечностями. Правда, доказать это практически невозможно, так как эти способности проявлялись у людей в основном непроизвольно. Имеются попытки объяснить с помощью концепции фантомных воздействий некоторые случаи полтергейста. Здесь наука буквально вторгается в область, до сих пор находящуюся во владениях мистики.

Имеются и более существенные подтверждения приведенной гипотезы. Так, например, стал уже классическим опыт с фотографией по методу Кирлиан листа, только что сорванного с дерева и разрезанного пополам (рис.5.2). После проявки на фотопленке помимо четкого изображения половины листа видна и вторая, удаленная половина, но менее четко.

Рис. 5.2

Является ли полевой паттерн данной клетки ее принадлежностью, или он является принадлежностью организма в целом? Исчезает ли данный паттерн из совокупной полевой структуры организма после гибели клетки? Интерференционная картина биополя формируется на основе информации, содержащейся в молекулах ДНК. Все комплексы молекул ДНК во всех клетках абсолютно идентичны, и поэтому каждый из них хранит всю информацию о совокупном биополе всего организма (принцип голографии). То есть данный паттерн формируется не клеткой, а всем организмом, поэтому после смерти клетки он не исчезает (хотя клетка, вероятно, может деформировать этот паттерн своими внутриклеточными процессами, так что результирующий паттерн, скорее всего, рождается как единство эталонной, предопределенной организмом («вынужденной») составляющей и внутриклеточной («свободной») составляющей). Это эталон, по которому должен строиться организм, поэтому со смертью клетки данный паттерн будет продолжать существовать и создавать условия для нарождения новой клетки, топологически (по месту расположения внутри организма) функционально и структурно идентичной погибшей клетке. Этот паттерн можно считать своего рода «душой» клетки, способной возрождаться до тех пор, пока организм нуждается в ее функции. Поэтому, например, несмотря на то, что каждая клетка кожи живет весьма ограниченный срок, папиллярный узор (отпечатки пальцев) остается практически неизменным на всем протяжении жизни. Но даже после того, как эта функция перестанет быть востребованной (многие системы организма, особенно на стадии эмбриогенеза, имеют ограниченный период существования), информация о данной клетке будет храниться в памяти организма (в структуре ДНК), поэтому ее можно считать бессмертной, по крайней мере, до тех пор, пока существует сам организм.

По-видимому, все живые существа имеют подобную полевую структуру, организующую все внутренние процессы. Не являются исключением и социальные организмы. Поэтому, вероятно, стоит предположить существование подобной биополевой структуры и у всей планеты. Частично эта структура, вероятно, проявляет себя в форме гравитационного и магнитного полей планеты. Ведь не случайно, как выясняется, именно магнитное поле Земли является основным проводником для перелетных птиц. Интересен в этом отношении опыт П.П.Горяева, который поместил эмбрион лягушки в камеру из пермаллоя, не пропускающего никакие излучения. Хотя в камере были созданы самые благоприятные для развития эмбриона условия, эмбрион развился в уродливого мутанта головастика и погиб через несколько часов. Вероятно, эмбрион, изолированный от поля планеты лишается важной доли генетической информации. То есть, по-видимому, не вся генетическая информация зашифрована в структуре молекул ДНК, а может, и сама эта структура поддерживается и координируется информацией, поступающей извне.

Кто знает, насколько сложна и упорядочена полевая структура планеты? И в этой структуре, возможно, наблюдаются локальные островки с еще более сложной организацией, топологически совпадающие с нашими телами, организующие всю нашу жизнедеятельность. Эти сложные паттерны принадлежат не столько нам лично, сколько так называемому энергоинформационному полю планеты, в которое сливаются биополевые структуры всех биосистем, и, наверное, еще кое-что, о чем мы даже не догадываемся. И после нашей смерти эти паттерны, вероятно, не распадаются, так как они являются первичными (эталонными) по отношению к внутренней организации данного живого существа и распад тела не может повлиять на программу формирования этого тела. Возможно, кто-то даже возрождается для новой жизни. Но, наверное, не каждому дается это право, а только тем, в ком действительно нуждается планета. Этот вывод следует из принципа подобия части и целого. Однако понятно, что он является не более, чем гипотезой.

Как всякое живое существо, планета имеет, по-видимому, свой личностный фактор - сверхсознание. Вероятно, она вмешивается в жизнь населяющих ее подсистем, регулирует и направляет их особым образом. И люди умеют, в принципе, слышать голос Земли, но перестали ему доверять, так как не могут найти ему логического объяснения. Этот голос прорывается в наше сознание в виде голоса совести, но еще больше он, вероятно, присутствует во многих наших неосознанных порывах, самое верное название которым будет «голос сердца», или, если хотите - интуиция. Именно в регулирующем воздействии планеты на нашу жизнь следует искать природу морали и нравственности.

5.3. Генетическая гипотеза эволюции планеты

Принцип Реди гласит: «Все живое происходит от живого». Из этого следует парадоксальный вывод: жизнь не может возникнуть вследствие самоорганизации. Любое живое существо обязательно имеет живого родителя, причем подобного ему самому, о чем свидетельствует и биогенетический закон. Однако данный парадокс снимается достаточно просто, если исходить из предположения, что Земля есть живое существо. Только та самоорганизующаяся система приобретает возможность длительного устойчивого существования, которая наследует в своей структуре подобие со структурой планеты (подобие может быть формальным, не обязательно физическим и не обязательно полным). Как любое живое существо, планета рождается, развивается, достигает зрелости, старится и умирает. О смерти Земли говорить еще рано, похоже, что она находится в самом пике своего развития. Попробуем подойти к анализу истории Земли с точки зрения подобия с индивидуальным развитием (онтогенезом) более привычного нам многоклеточного существа.

Если бы клетки умели рассуждать и наблюдать свою историю, они, без сомнения, заметили бы, что в их мире все меняется, что были времена, когда в организме господствовали совсем другие виды клеток. Например, было время, когда только еще зарождающийся организм человека имел жабры, которые впоследствии атрофировались. За время эмбриогенеза в развивающемся организме формируются, а затем отмирают многие подсистемы, которые были характерны для соответствующих стадий филогенеза данного вида организмов. «Взгляд изнутри» на ход эмбриогенеза, возможно, позволил бы нам выявить некоторые механизмы «смены эпох» в строении организма. Эти механизмы несколько напоминают эволюционные механизмы, типа естественного отбора и т.п. Поэтому клетки, анализирующие свою историю, наверное, тоже рано или поздно придут к мысли, что внутри организма происходит эволюция различных форм одноклеточных существ и связей между ними, и в ходе этой эволюции неоднократно наблюдались «экологические катастрофы», когда формы жизни существенно обновлялись. Не ускользнет от их внимания, наверное, и некоторая целенаправленность данного эволюционного процесса, которая, естественно, натолкнет на вопрос: «А не существует ли какой-то «режиссер», направляющий эту эволюцию, который «на рубеже эпох», когда формируются мутовки, выбирает из разных принципиально возможных вариантов клеточной специализации именно те формы, которые соответствуют некоему плану?».

Мы называем этот план генетической программой развития организма. Мы знаем, что эта программа закодирована в структуре молекул ДНК данного организма (а может быть, не только в ней). Эта программа определяет всю пространственно-временную структуру организма вплоть до предрасположенности к определенным болезням в определенные периоды жизни и т.п. Так, например, общеизвестен феномен близнецов, развившихся из одной яйцеклетки, по разным причинам разлученным в раннем детстве. Поражает похожесть их жизненного пути (например, в одном из случаев у подобных близнецов оказались похожими жены, имевшие одинаковые имена, они держали собак одинаковой породы, с одинаковыми кличками, у них был одинаковый набор болезней в одно и то же время, и т.д.).

Вероятно, в онтогенезе присутствует как строгая предопределенность генетической программы, так и фактор случайности, формируемый многообразием условий окружающей среды.

Реализация генетической программы происходит, скорее всего, посредством биополя данного организма, структура которого, как мы уже говорили, строится на основе информации, закодированной в структуре молекул ДНК. Так, например, в определенный момент времени клетка начинает вырабатывать роговое вещество, заполняя себя этим веществом, совершая тем самым своеобразный акт суицида. Из «трупов» подобных клеток строятся ногти на пальцах человека. Для организма в целом это жизненно необходимый процесс. То есть даже смерть клеток запрограммирована и служит на благо организма. Вероятно, в жизни данной клетки на определенном этапе происходит смена биополевого паттерна, координирующего внутриклеточные процессы. С точки зрения клеточной философии, возможно, это кажется жестоким. Однако не следует забывать, что «душа» клетки не умирает, в масштабе времени данного организма она бессмертна и, возможно, возродится вновь, уже лишенная грубых ошибок, накопленных в предыдущей жизни. Поэтому вряд ли можно говорить о жестокости, скорее, наоборот, - организм «помнит» о каждой своей клетке, сохраняет ее душу и заботится о ее теле, поставляя ей все необходимые для жизни питательные вещества, воспринимая ее крики о помощи в сложные для нее периоды жизни (болевые ощущения), давая ей в то же время определенную свободу.

В клеточном мире тоже существуют «бунтари», не желающие слушать «голос организма» и мечтающие о свободе от «дискриминации» организма и об изобретении эликсира бессмертия. Ведь, в принципе, одноклеточное существо может иметь свою индивидуальную генетическую программу (как у простейших одноклеточных). Помочь в этом им могут некоторые вирусы, с готовностью предоставляющие им для этого свои цепочки ДНК, корректирующие генетическую программу клетки. Такая клетка перестает подчиняться требованиям организма, приобретает «личное бессмертие», плодя своих потомков вдоль богатых питательными веществами кровеносных каналов, перестраивая таким образом все ткани организма (метастазы). Рано или поздно такой организм гибнет вместе с «бунтарями». В таких ситуациях никто не выигрывает, все проигрывают.

Если планета Земля действительно представляет собой живое существо астрономических масштабов, то не подчиняется ли эволюция жизни на ней и все процессы жизнедеятельности какой-то генетической программе, на которую накладывается совокупность случайных факторов космического плана? Вполне возможно, что практически любой эволюционный процесс можно рассматривать как единство предопределенности (генетической программы) и случайности.

При таком подходе следует признать некоторую предопределенность и неизбежность экологических катастроф, знаменующих смену фаз генетической программы. Смерть на Земле также оказывается запрограммированной. Если бы не было смерти, не было бы и эволюционирующего усложнения форм жизни, направляемого генетической программой планеты. Если бы не было глобальной гибели динозавров, вряд ли Земля смогла бы усовершенствовать психику теплокровных вплоть до создания человеческого разума. И если кому-то хочется стать бессмертным, то прежде надо поинтересоваться, хочет ли этого Земля? Ведь организм человека - это открытая система. В принципе, человек может жить вечно (по крайней мере, в условиях планеты Земля). Однако в его ДНК «зашиты» и «ген старости» и «ген смерти», программирующие момент ухода человека из жизни. Наши ученые уже почти добрались до этих генов, обещая нам в скором будущем поголовное бессмертие. Не будет ли это началом прогрессирующей раковой опухоли в теле планеты (хотя все признаки раковой опухоли налицо уже сейчас)?

Раковые клетки по-видимому необходимы для организма. В малых количествах они присутствуют в нем всегда. Может быть, именно они играют первостепенную роль в «эпохи катастроф» внутри организма. Но когда их количество выходит из-под контроля организма, возникает угроза его гибели. Может быть, потому и участились случаи заболевания раком, что человек сам встает на путь раковой клетки. Поэтому «раковая программа» становится для него нормой. Опускаясь до уровня физиологии, эта программа перестраивает собственную генетическую программу человеческого организма так, что раковые клетки, до этого момента четко отслеживаемые внутренней «полицейской службой» организма (иммунной защитой), теперь приобретают статус «нормальных граждан». То есть человек, вставший на путь «абсолютной свободы», сам поражается раковой болезнью и погибает. Может быть, именно в этом суть «антираковой службы» планеты? Что же должен сделать человек, что бы излечиться от рака (как впрочем и от любой другой болезни)? Наверное, для этого нужно в первую очередь исправить что-то в своем отношении к метасистемам, то есть к планете, к природе, к себе подобным. Нужно безоговорочно выполнить все требования, предъявляемые нам природой, то есть нужно стать «законопослушными гражданами планеты».

Но закон этот устанавливает не человек. С давних времен люди интуитивно чувствовали этот закон в своем сердце. А когда они забывали его или по суетности своей жизни переставали прислушиваться к голосу сердца, в их среде рождался человек, вся жизнь которого являлась воплощением данного закона, которого по праву можно было назвать Словом Бога, потому что все, что он говорил, было истиной данного закона. И находясь рядом с ним, люди сердцем чувствовали эту истину. Потому и передавалась эта истина из поколение в поколение вопреки «здравому смыслу», пронизывающему «идеологию свободы». Так же как клетка организма не может быть свободной от организма, также и человек не может быть свободным от природы. И человек не имеет права диктовать природе свою волю, так же как клетка не имеет права перестраивать под себя ткани организма. Иначе все гибнет.

Многие, кто впервые знакомятся с принципом дополнительности, начинают считать, что в мире царит всеобщее равновесие. В частности, если есть добро, то должно быть и равное количества зла. Некоторые даже встают на сторону зла, откровенно признавая себя его носителями, считая, что тем самым они способствуют гармонии в природе. На самом деле в природе не существует понятий добра и зла. Есть созидание, и есть разрушение – они находятся в гармонии. Разделение реальности на добро и зло присуще только бунтующему рассудку человека, который, запутавшись в противоречиях мира, обладая свободой воли, встает на путь прямого неподчинения высшему закону. Вот тогда действительно рождается Зло, несущее дисгармоничное разрушение не только метасистеме, органичной частью которой является этот человек, но и, возможно, всей Вселенной. Тогда силы, противостоящие Злу, вероятно, надо назвать Добром. Во всяком случае, человеку не свойственно служить Злу. Рано или поздно он должен вернуться к признанию органичного единства и целесообразности Вселенной и пониманию своей роли в ней.

Так в чем же роль человека, цель его существования? Многие считают, что смысл жизни человека в том, чтобы непрерывно совершенствоваться. В этом есть, вероятно, доля истины. Тем не менее, само понятие смысла жизни определено только по отношению к метасистеме, частью которой является человек. Смысл существования какой-либо клетки моего организма выражается той функцией, которую выполняет данная клетка в физиологических процессах организма. Смысл человеческого бытия надо искать в той роли, которую отвела нам планета в своей жизни.

В свете вышесказанного Землю можно рассматривать как космический цветок. То есть на определенном этапе своего роста Земля расцвела цветом жизни, цель которой, с одной стороны, породить семена новой жизни, с другой стороны, «опылить» другие подобные цветы пыльцой, несущей в себе генетическую информацию.

Именно человек, по-видимому, призван стать основой подвижного носителя информации, способного перенести эту информацию на другие космические тела. Именно поэтому его языческая идеология поклонения природным силам планеты (детство человечества) постепенно сменяется верой в Высшую Сущность, единую для всей Вселенной, мечтой о дальних мирах, стремлением выйти в Космос. Образно говоря, после созревания, космическая пыльца должна оторваться от цветка сначала в мечтах и фантазии, а затем в физической реальности. Для этого ей предстоит сначала ощутить «голос цветочной поляны», чтобы войти в гармонию с ней.

Не хотелось бы, чтобы после того, как мы покинем Землю, цветок жизни на ней увял. В любом случае пока еще рано говорить о готовности человека к несению своей вселенской миссии. Поэтому современная экологическая катастрофа - это лишь один из этапов «роста» планеты, а не увядание космического цветка.

ПОВТОРИМ

  1. Закон максимизации энергии как частный закон, которому подчиняется эволюция биосистем Земли.
  2. Агрегация как механизмом формирования иерархической лестницы природных систем.
  3. Что понимается под организмом?
  4. Понятие и примеры социальных систем.
  5. Что понимается под биополем?
  6. Привести примеры и описать опыты, подтверждающие наличие биополя.
  7. Гипотеза о биополевой структуре социальных систем и планеты.
  8. Генетическая гипотеза эволюции планеты.

Раздел II

БИОЭКОЛОГИЯ


Глава 6

СИСТЕМНОСТЬ В ЭКОЛОГИИ

Не все признают за планетой право быть живым существом. Многие ограничивают сферу жизни лишь достаточно тонкой оболочкой вблизи поверхности земной коры. Но эта оболочка настолько явно пронизана жизнью, что сейчас уже ни у кого не вызывает сомнений в том, что по сложности, упорядоченности и четкости внутренней организации она не уступает ни одному живому организму. А сколько еще ускользает от нашего внимания?

Начиная с данной главы, мы будем все глубже опускаться с высот глобальных вопросов общей теории жизни к вопросам более земным и частным. И в первую очередь нам необходимо познакомиться с современным состоянием теории биосферы, как первой и, наверное, самой сложной и активной в плане проявлений жизни подсистемой планеты (что творится в недрах планеты, нам знать пока не дано).

6.1. Понятие экосистемы

Биосистема есть частный вид наиболее сложных систем, построенных на основе белковых соединений. Поэтому системный подход в экологии очень популярен.

Как уже говорилось, вообще в экологии существуют два подхода к пониманию сути явлений:

  • популяционный (редукционистский) – концентрирует внимание на популяциях живых существ, то есть на группах особей одного вида, большое число поколений которого населяет определенное пространство в ограниченных пределах (считается, что именно популяция является основной элементарной единицей, изучаемой традиционной экологией);
  • экосистемный (холистский) – базируется на понятии экосистемы – совокупности организмов и неживых компонентов, взаимодействующих совместно и связанных потоками вещества и энергии.

Экосистемный подход тяготеет к целостному описанию природы, популяционный - к аналитическому, дифференцированному, множественному. В данном курсе экологии предпочтение отдается экосистемному подходу, причем экосистема рассматривается как особого рода живой организм (что-то вроде социальной формы жизни, обладающей значительным внутренним разнообразием).

Все экосистемы можно разделить по рангам:

  • микроэкосистемы (лужа, гниющий пень, разлагающийся труп и т.п.);
  • мезоэкосистемы (лес, озеро, река, небольшой остров и т.п.);
  • макроэкосистемы (море, океан, континент, большой остров и т.п.);
  • глобальная экосистема (биосфера).

Кроме приведенной классификации экосистем в экологии традиционно рассматривается еще понятие биогеоценоза, которое близко по смыслу к понятию экосистемы. Биогеоценоз - это частный случай крупной экосистемы, охватывающей как правило значительную территорию, предполагающий обязательное наличие в качестве основного звена растительности, то есть фитоценоза, обеспечивающего данную экосистему поступлением первичной энергии (информации). Ввиду подобной энергетической автономности биогеоценоз теоретически бессмертен, в отличие, например, от гниющего поваленного дерева, экосистема которого гибнет после того, как будет израсходована вся энергия, накопленная деревом за время жизни, а само дерево превратится в компоненты гумуса (плодородного слоя почвы).

В составе любой экосистемы обычно выделяют два блока: биоценоз и экотоп.

Биоценоз состоит из взаимосвязанных организмов разных видов, которые входят в него не отдельными особями, а популяциями. Частный случай биоценоза - сообщество, оно может объединять только часть видов биоценоза (например, растительное сообщество).

Под экотопом понимают среду обитания данного биоценоза. Это может быть территория данного биогеоценоза, характеризующаяся определенным составом слагающих ее геологических пород. Поваленное дерево, дающее жизнь разного рода деструкторам (насекомым, грибам, микробам и прочим организмам, разрушающим органику вплоть до минерального состояния) также является экотопом существующей на его базе экосистемы.

Особенности экосистем:

1. Тесная взаимосвязь и взаимозависимость всех звеньев как биотических, так и абиотических.

Именно это позволяет говорить об экосистемах как о живых организмах, где все подсистемы точно «подогнаны» друг под друга. Попытки что-то откорректировать в этих связях приводит либо к включению механизмов гомеостаза (саморегулировки), возвращая систему в исходное состояние, либо к возникновению необратимых изменений, после которых экосистема существенно перестраивает свою структуру или гибнет. Так, например, попытка избавиться от «вредных» с точки зрения человека насекомых или животных в какой-либо экосистеме может привести к непредсказуемым последствиям вплоть до гибели данной экосистемы. Достаточно вспомнить широкомасштабную эпопею с отстрелом волков в наших лесах. Это теперь мы называем волков санитарами леса. Как всегда учимся на ошибках.

Есть и более тонкие механизмы, которые мы разрушаем, даже не замечая этого, что приводит впоследствии к большим неприятностям. Хорошо, если мы догадываемся, что истинные причины наших неприятностей в нас самих. Примером может служить парадоксальная локальная сейсмическая активность в Москве, приводящая к катастрофам в метро и в коммуникациях, к разрушению дорог и домов, нередко с человеческими жертвами. Одной из причин является то, что малые реки и ручьи, русла которых были вовсе не случайными, ныне загнаны в трубы. Если раньше они ослабляли напряжения между геологическими плитами, на которых стоит город, то теперь эти напряжения постоянно накапливаются и, в конце концов, ослабляются, но уже с использованием катастрофических механизмов.

2. Сильные положительные и отрицательные обратные связи.

Пример положительной обратной связи - заболачивание территории после вырубки леса. Это ведет к уплотнению почвы, следовательно, к накоплению воды и росту растений-влагонакопителей, к обеднению кислородом, а значит, к замедлению разложения растительных остатков, накоплению торфа и дальнейшему усилению заболачивания. Типична положительная обратная связь, характеризующая динамику численности популяции в условиях отсутствия сдерживающих факторов: чем больше особей в популяции, тем больше прирост численности. Пример отрицательной (стабилизирующей) обратной связи - взаимоотношение между хищником и жертвой, например, между рысями и зайцами: рост количества зайцев способствует росту численности рысей, но чрезмерное количество рысей сокращает поголовье зайцев, после чего численность рыси также сокращается. В естественных условиях данная система достаточно быстро стабилизируется.

Другой интересный пример: функционирование карбонатной системы океана (раствор в воде: ). Обычно количество углекислоты, растворенное в воде океана, находится в парциальном равновесии с концентрацией углекислого газа в атмосфере. Локальные увеличения углекислоты в атмосфере после извержения вулканов приводят к интенсификации фотосинтеза и поглощению ее карбонатной системой океана. При снижении уровня углекислого газа в атмосфере карбонатная система океана высвобождает в атмосферу. Поэтому концентрация углекислого газа в атмосфере достаточно стабильна.

Еще один пример: повышение уровня грунтовых вод приводит к увеличению их контакта с корневыми системами растений и повышению транспирации (испарения), что возвращает уровень грунтовых вод в исходное состояние.

3. Явно выраженная эмерджентность.

Например, редкий древостой еще не составляет леса, так как не создает определенной среды: почвенной, гидрологической, метеорологической и т.д. Известны попытки насадить леса в зонах, для которых они мало характерны, например в степи. Деревья почему-то не приживались. Успеха удавалось добиться только после того, как на место посадки завозили почву из лесов, богатую грибницей. Нити грибницы опутывают корни, образуя с ними симбиоз - микрозу. Грибы при взаимодействии с тканью корня образуют своего рода «сложные органы», повышающие способность растения извлекать из почвы питательные вещества. В свою очередь грибы получают некоторые продукты фотосинтеза растений. Поток энергии через микрозу является одним из главных элементов пищевой цепи и дерева и грибницы. Многие деревья не могут расти без микрозы. В то же время сосны, например, со здоровой микрозой могут расти на такой бедной почве, которая по сельскохозяйственным стандартам не пригодна для посевов зерновых культур.

Почва леса сама по себе обладает всеми признаками живого организма. Она, как любая живая ткань, обладает богатым набором ферментов (биологические катализаторы) и других катализаторов, благодаря которым в ней протекают сложные процессы обмена веществ и энергии, непрерывное «производство» определенных органических веществ, а также процессы перехода сложных соединений в формы, доступные усвоению растениями.

В лесу создаются особые условия, отличные от условий на открытой местности. В частности это повышенная влажность и меньший диапазон суточных и годовых колебаний температуры, более низкое содержание углекислоты на уровне полога, повышенное содержание ее в припочвенном слое и т.д. Над лесами чаще идут дожди. В то же время замечено, что крупные города тучи часто обходят стороной, что объясняется, вероятно, наличием над городами локальных зон повышенного атмосферного давления. Леса способствуют умеренному накоплению влаги в почве. Именно они подпитывают малые реки и ручьи, делая большие реки спокойными и полноводными. Например, в районе города Шуи есть речка Сеха. Из истории известно, что во время монголо-татарского нашествия их войско переправлялось через нее на плотах. Сейчас об этом напоминают лишь крутые высокие склоны по бокам котловины, по дну которой течет мелкий ручей, который в некоторых местах можно перешагнуть. Правда, в своих разговорах мы все же называем Сеху рекой, наверное, по давней местной привычке. Причина такой деградации очевидна: вытекая из полуосушенного болота, современная Сеха окружена сплошными полями.

Таким образом, лес - это не просто много деревьев, это живая система с большим количеством эмерджентных свойств, способная изменять среду вокруг себя. Высокий коэффициент эмерджентности (степень органичности, неразрывности внутренних связей, невозможности разложить на составляющие) повышает устойчивость экосистемы и ее способность к саморегулированию.

Деятельность человека приводит к нарушению прямых и обратных связей в экосистемах. Например, умеренное загрязнение водоемов органикой приводит к интенсификации размножения микроорганизмов, что в свою очередь приводит к самоочищению водоема. Неумеренное загрязнение ведет к чрезмерному размножению организмов-санитаров, что рано или поздно приводит к обеднению данного водоема кислородом, а значит, к угнетению и гибели этих организмов, разрушению связей, изменению системы и переходу ее на новый вид связей, то есть к заболачиванию.

Для повышения устойчивости экосистемы нуждаются в случайных стрессовых воздействиях типа бурь, пожаров и т.п. Но хронические стрессы малой интенсивности, характерные для антропогенного воздействия на природу, не дают наглядных реакций, поэтому их последствия оценить очень трудно, но они могут оказаться роковыми.

Пример: потребовались годы, чтобы выявить связь между курением и заболеванием раком.

С каждым годом воздействие человека на природу становится все более масштабным. Примером тому может служить возросшее количество природных катаклизмов на планете, что является прямым следствием нашей жизнедеятельности. Так вырубка лесов на континенте привела к уменьшению количества дождей местного характера. Именно транспирация, то есть испарение влаги с поверхности листьев растений, давала наибольший вклад в формирование облаков, которые проливались затем дождями, обеспечивая стабильный локальный круговорот воды. Теперь же дожди более редки (учащаются периоды засухи) и носят в основном затяжной циклонический характер. Они приходят к нам в основном с океана, активность которого все более возрастает из-за неуклонного повышения средней температуры планеты, что в свою очередь вызвано усилением парникового эффекта, связанного с ростом концентрации углекислого газа и с загрязнением атмосферы, причины которых кроются в интенсификации производственной деятельностью человека. Осадки, выпавшие на территории, обедненной лесами и в основном распаханной под сельскохозяйственные культуры, практически не задерживаются в почве и прямиком стекают в реки, вызывая в низовьях этих рек значительный подъем уровня воды, затопляющей нередко целые города, приводя к человеческим жертвам.

6.2. Законы Коммонера

Видный американский эколог Б.Коммонер обобщил системность в экологии в виде четырех законов, которые в настоящее время приводятся практически в любом пособии по экологии. Их соблюдение - обязательное условие любой деятельности человека в природе. Эти законы являются следствием тех основных принципов общей теории жизни, о которых говорилось в предыдущих главах.

1. Все связано со всем. Любое изменение, совершаемое человеком в природе, вызывает цепь последствий, как правило, неблагоприятных.

По сути дела, это одна из формулировок принципа единства Вселенной. Надежды на то, что какие-то наши действия, особенно в сфере современного производства, не вызовут серьезных последствий, если мы проведем ряд экозащитных мероприятий, во многом утопичны. Это способно лишь несколько успокоить ранимую психику современного обывателя, отодвигая в будущее более серьезные изменения в природе. Так мы удлиняем трубы наших ТЭЦ, считая, что при этом вредные вещества более равномерно рассеются в атмосфере и не приведут к серьезным отравлениям среди окрестного населения. И действительно, кислотные дожди, вызванные повышенной концентрацией в атмосфере соединений серы, могут пройти совсем в другом месте и даже в другой стране. Но нашим домом является вся планета. Рано или поздно мы столкнемся с ситуацией, когда длина трубы уже не будет играть существенной роли.

2. Все должно куда-то деваться. Любое загрязнение природы возвращается к человеку в виде «экологического бумеранга».

Предыдущий пример является ярким подтверждением этому. Планета стала слишком тесной для нас. Она уже не справляется с силой антропогенного воздействия на нее. Любое наше вмешательство в природу возвращается к нам повышенными проблемами. На фоне этого рождаются различные «смелые» проекты утилизации наших отходов, особенно радиоактивных, в космосе, на других планетах, предлагают даже отправлять их на Солнце. К счастью у этих проектов имеется огромное количество оппонентов. Потому что второй закон Коммонера никто не отменял. Мы пока еще даже не представляем, какими могут конкретные механизмы «экологического бумеранга» в случае попытки «загрязнить Солнце». Но лучше даже не пытаться.

3. Природа знает лучше. Действия человека должны быть направлены не на покорение природы и преобразование ее в своих интересах, а на адаптацию к ней.

Это одна из формулировок принципа оптимальности. В совокупности с принципом единства Вселенной он приводит к тому, что Вселенная в целом предстает как единый живой организм. То же можно сказать и о системах более низких иерархических уровней, таких как планета, биосфера, экосистема, многоклеточное существо и т.п. Любые попытки внести изменения в отлаженный организм природы, чреваты нарушением прямых и обратных связей, посредством которых реализуется оптимальность внутренней структуры данного организма. Деятельность человека только тогда будет оправдана, когда мотивация наших поступков будет определяться в первую очередь той ролью, для выполнения которой мы были созданы природой, когда потребности природы будут иметь для нас большее значение, чем личные нужды, когда мы будем в состоянии во многом безропотно ограничить себя во благо процветания планеты.

4. Ничего не дается даром. Если мы не хотим вкладывать средства в охрану природы, то придется платить здоровьем, как своим, так и потомков.

Вопрос об охране природы очень сложен. Ни одно наше воздействие на природу не проходит бесследно, даже если выполнены, казалось бы, все требования экологической чистоты. Хотя бы потому, что развитие экозащитных технологий требует высококачественных источников энергии. Даже если сама энергетика перестанет загрязнять атмосферу и гидросферу вредными веществами, все равно остается нерешенным вопрос теплового загрязнения. Согласно второму закону термодинамики, любая порция энергии, претерпев ряд превращений, рано или поздно перейдет в тепло. Пока еще мы не в силах состязаться с Солнцем по количеству поставляемой на Землю энергии, но наши силы растут. Мы горим желанием открыть новые источники энергии. Как правило, мы высвобождаем энергию, накопленную когда-то разными формами вещества. Это гораздо дешевле, чем улавливать рассеянную энергию Солнца, но напрямую ведет к нарушению теплового баланса планеты. Не случайно средняя температура в городах на 2-3 (а иногда и больше) градуса выше, чем за пределами города в той же местности. Рано или поздно этот «бумеранг» к нам вернется.

Поэтому должен измениться сам подход к понятию экологической чистоты. Тем не менее, любые вложения средств в охрану природы должны приветствоваться. Под лежачий камень вода не течет. Пусть методом проб и ошибок, но мы должны найти способы гармоничного интегрирования своего производства с биосферой планеты. И на первый план в мотивации человека должно выйти не получение наибольшей прибыли с меньшими затратами, а гармоничность производства. Где определяющую роль будет играть не рост личного дохода разработчика или производителя, а чистота их совести, степень осознания их ответственности перед природой.

Пока еще это звучит довольно утопично. Но все меняется. Уже сейчас разработка мероприятий по обеспечению экологической чистоты при проектировании некоторых производств составляет основную долю расходов. Создано и развивается интересное направление в проектировании, получившее название «Разработка благодатных технологий». Здесь основным критерием оптимальности принимаемого решения выступает не какой-то технический или экономический показатель, а совесть разработчика. Насколько все это жизнеспособно, покажет будущее. Но без подобного рода поиска нового мировоззрения человек обречен.

6.3. Теория биосферы

Как уже было сказано, самой крупной, глобальной экосистемой планеты является биосфера.

Понятие биосфера было введено в 1875 году австрийским ученым-геологом Э. Зюссом, который понимал под биосферой все пространство атмосферы, гидросферы и литосферы, где встречаются живые организмы.

Но наибольшее развитие это понятие получило в трудах нашего соотечественника академика В.И.Вернадского, который, по сути дела, создал новую науку – теорию биосферы. Под биосферой он понимал все пространство литосферы, гидросферы и атмосферы, где существует или когда-либо существовала жизнь, то есть, где встречаются организмы или продукты их жизнедеятельности и которое обладает антиэнтропийными свойствами.

Основные положения теории Вернадского, в принципе, можно вывести как следствия из положений общей теории жизни. Но исторически именно они были открыты первыми, причем в те времена это были очень смелые выводы, благодаря которым теория жизни вышла на новый, более высокий уровень понимания природы как единого целого. Мы остановимся только на некоторых из этих положений, которые наиболее полно характеризуют теорию биосферы:

  • жизнь есть неизбежное следствие мирового эволюционного процесса, любые теории случайного зарождения жизни не выдерживают критики;
  • возникновение Земли как космического тела и появление на ней жизни произошло практически одновременно, следы жизни обнаруживаются в самых глубоких геологических слоях;
  • наша планета и космос есть единая система, в которой жизнь связывает все процессы в единое целое;
  • количество живого вещества на Земле является постоянной величиной, то есть во все времена с начала существования Земли в круговорот жизни было вовлечено то же количество вещества, которое мы и сейчас наблюдаем в данном круговороте (включая вещество в захоронениях, типа каменноугольных, нефтяных месторождений и т.п.);
  • жизнь является главной геологической силой на планете (не вулканизм и не физико-химические процессы выветривания определяют эволюцию верхних слоев литосферы, первостепенную преобразующую роль играют именно живые организмы и обусловливаемые ими механизмы разрушения горных пород, круговороты веществ, изменения водной и атмосферной оболочек Земли; весь лик Земли, ее ландшафты, химизм океана, структура атмосферы - это порождение жизни);
  • человек есть неизбежное следствие эволюции планеты, на которого возложена определенная роль в жизни планеты;
  • в настоящее время именно человек превращается в главную геологическую силу на планете (человек меняет состав атмосферы и гидросферы, ландшафты Земли, высвобождает из захоронений огромное количество веществ, возвращая их в круговороты жизни, обедняет разнообразие форм жизни на планете и одновременно порождает или способствует порождению новых форм жизни);
  • однажды развитие биосферы и человеческого общества сделается неразрывным, и биосфера перейдет в новое состояние - ноосферу (сфера разума).

По поводу ноосферы сам Вернадский выражался довольно неоднозначно. В те времена нужно было быть очень осторожным, чтобы не быть обвиненным в религиозной пропаганде. В общепринятом сейчас понимании под ноосферой подразумевают такое состояние взаимоотношений человека и природы, в котором развитие планеты будет подчинено управляющей силе Разума Человека в интересах Человека. Действительно, человеку в организме биосферы, по крайней мере на современном этапе эволюции планеты, отводится, по-видимому, роль подсистемы, координирующей внутренние процессы биосферы. Особый интерес вызывает точка зрения Пьера Тейяра де Шардена, близкого друга Вернадского, епископа и одновременно ученого-эволюциониста, предложившего использовать термин ноосфера для обозна-чения особого этапа эволюции планеты, на котором человеческий разум, слившийся с биосферой во единое целое, породит особое эмерджентное качество - сверхразум планеты, что знаменует собой «прорыв» в самоосознании планетой себя как личности (если этого еще не произошло).

В современной науке под биосферой понимают глобальную экосистему, объединяющую в себе практически все вещество верхних слоев планеты, включая толщи осадочных пород литосферы, вплоть до озонового слоя атмосферы.

Традиционно недра планеты в состав биосферы не включаются, однако имеются данные о влиянии глубинных процессов на процессы в биосфере и обратное влияние. Например, наблюдается связь между интенсивностью вулканической деятельности и землетрясений и ростом социальной напряженности в регионах. Согласно выводам известного ученого-электромеханика И.П.Копылова океанические течения совпадают с линией физической нейтрали планеты, как космической униполярной машины. Имеется информация о наличии так называемых геопатогенных зон, влияющих на все живое.

Известно, что космические процессы также активно влияют на процессы в биосфере (магнитные бури и т.п.). Имеются данные в пользу того, что нашествия саранчи связаны с периодичностью солнечной активности. Высказывается мнение, что солнечная активность оказывает воздействие даже на многие геологические процессы (катаклизмы, катастрофы), а также на социальную жизнь людей. Подмечено влияние на нашу жизнь звезд, планет, комет (особенно на психику людей). Существенное влияние может оказать падение крупных метеоритов. Существует также гипотеза о Немезиде (нейтронная звезда, двойник Солнца с сильно вытянутой орбитой и периодом обращения порядка 12000 лет), регулярно вторгающейся в глубины солнечной системы, приводя к глобальным возмущениям на всех планетах.

Таким образом, сфера жизни оказывается плотно вплетенной в единую ткань Вселенной, поэтому границы ее весьма условны.

Основные свойства биосферы.

1. Биосфера – это централизованная система. Центральным ее звеном выступают все живые организмы (живое вещество), в том числе и человек.

2. Биосфера – это открытая система. Ее существование немыслимо без поступления энергии извне, прежде всего от Солнца. Однако разного рода космические излучения также вероятно поставляют на Землю какие-то энергии, о влиянии которых можно пока лишь догадываться.

3. Биосфера – это саморегулирующаяся система. Это свойство называют гомеостазом, понимая под ним способность гасить возникающие возмущения и приходить в исходное состояние включением ряда механизмов. Гомеостатические механизмы связаны в основном с живым веществом, его свойствами и функциями. В истории планеты были встречи с астероидами, горообразование, вулканизм, землетрясения и т.п. Это вызывало реакции, аналогичные действию принципа Ле Шателье-Брауна в системах с более простой организацией, гасящие вносимые в жизнь биосферы возмущения. В настоящее время, хотя биосфера, по-видимому, еще не вступала в стадию глобального кризиса, но отдельные крупные возмущения антропогенного происхождения она гасить уже не в силах, потому что человек разрушает сами механизмы гомеостаза. То есть деятельность человека по отношению к планете в некотором роде подобна действию вируса СПИДа, поражающего имунную защиту организма. Результатом человеческой деятельности является либо гибель экосистем (заболачивание, опустынивание и т.п.), либо появление неустойчивых систем типа агроценозов или городов.

4. Биосфера – это система, характеризующаяся большим разнообразием. Это повышает ее устойчивость, так как дает возможность дублирования отдельных функций (закон Эшби, который перекликается с законом Фишера, связывающим устойчивость биосистем со сложностью и разнообразием организационных структур). В настоящее время описано около 2 млн. видов живых организмов. Полагают, что их на Земле в 2-3 раза больше. К настоящему времени арену биосферы оставили более 95% существовавших когда-то видов. Вся деятельность человека без исключения подчинена упрощению экосистем любого ранга, то есть уменьшению разнообразия видов, что также наносит удар по механизмам гомеостаза. Так мы засеваем огромные площади монокультурами, тратя при этом огромные средства на борьбу с природой, пытающейся восстановить разнообразие видов на данных территориях путем одновременного засеивания их семенами «диких» растений, которых мы относим в разряд сорняков. Простые экосистемы с малым разнообразием удобны для эксплуатации. Они позволяют в короткое время получить большой объем продукции. Плата за это снижение устойчивости экосистем, их распад и деградация среды.

5. Наличие механизмов, обеспечивающих круговорот веществ. Это гарантирует неисчерпаемость отдельных химических соединений. При отсутствии круговорота, например, за короткое время был бы исчерпан весь углерод. Только благодаря круговоротам обеспечивается непрерывность процессов. Как говорил академик-почвовед В.Р.Вильямс, есть единственный способ сделать какой-либо процесс бесконечным - пустить его по пути круговоротов.

ПОВТОРИМ

  1. Пояснить суть популяционного и экосистемного подходов в экологии.
  2. Дать понятия биогеоценоз, биоценоз и экотоп.
  3. Особенности экосистем.
  4. Законы Коммонера.
  5. Некоторые положения теории Вернадского, которые наиболее полно характеризуют биосферу.
  6. Основные свойства биосферы.

Глава 7

ДВИЖЕНИЕ ВЕЩЕСТВА В БИОСФЕРЕ

Жизнь на планете развивается в условиях практически постоянного количества вещества. Это порождает особые механизмы, связанные в первую очередь с понятием «смерть». Если бы не было смерти с последующим возвращением вещества в круговорот, жизнь не смогла бы существовать, тем более постоянно наращивать сложность форм.

Любой организм как открытая система существует в потоке вещества. Например, организм человека обновляет практически все вещество в среднем за семь лет. Это происходит благодаря гармонично сочетающимся процессам созидания и разрушения более элементарных форм жизни, образующих его. Сырье для внутреннего созидания мы получаем в основном с пищей. Отработанное вещество удаляется из организма в окружающую среду.

Особенность биосферы как организма, в том, что не существует сколько-нибудь существенного потока вещества из космоса или из недр Земли в биосферу и наоборот. Поэтому основные потоки вещества в биосфере организуются посредством круговоротов.

7.1. Живое вещество биосферы

Под живым веществом Вернадский понимал совокупность всех живых организмов, выраженную через массу, энергию или химический состав. Живое вещество составляет порядка 0,01-0,02 % от массы всей биосферы. Общий вес живого вещества порядка (2,4-3,6).1012 т (в сухом весе).

Вещества, образуемые без участия живых организмов и не вовлеченные в круговорот жизни, Вернадский назвал костными веществами. Это, например, горные породы, продукты извержения вулканов и т.п. «Неживых» веществ в природе не бывает, практически любое вещество может быть вовлечено в круговорот жизни.

Кроме того, Вернадский выделял в особую группу биокостное вещество, которое в отличие от костного так или иначе обусловлено воздействием жизни и вовлечено в ее круговорот. Это, например, вода, почва и т.п. Вода, например, по праву считается веществом, дающим жизнь. Некоторые исследователи утверждают, что она обладает способностью запоминать информацию в своих структурах. А так как практически вся земная вода основательно переработана жизнью, то отнести ее к костным веществам мы никак не можем. То же самое можно сказать и про почвы, которые некоторые почвоведы считают «биологическим телом». Поэтому подобные вещества вынесены в особую промежуточную группу.

Можно также выделить группу биогенных веществ, образующихся в результате жизнедеятельности живых организмов. Это многие полезные ископаемые в первую очередь каменный уголь, нефть, торф, а также известняки, руды металлов и т.п. По сути дела, весь слой осадочных пород можно отнести к биогенным веществам.

В настоящее время данную классификацию дополняют еще одной группой веществ, образующихся в процессе деятельности человека. Это так называемые антропогенные вещества. Часть из них участвует в естественном круговороте вещества, но многие соединения практически не утилизируются живым веществом, а потому представляют огромную опасность для биосферы. Это в первую очередь разного рода полимерные материалы, типа целлофана, капрона и т.п. Единственным деструктором (разрушителем) для этих веществ пока что остается человек. Правда, природа похоже начинает приспосабливаться к этой стороне человеческой деятельности. Так известны случаи, когда крысы перегрызали пластмассовую изоляцию кабелей. Некоторые, вероятно, сталкивались также с поражением молью синтетических тканей. Многие антропогенные вещества являются ядовитыми для большинства живых организмов. Особую опасность для жизни представляют радиоактивные вещества, прошедшие в производстве стадию обогащения, то есть повышения концентрации до таких размеров, в которых в природе они не встречаются.

Наибольшую роль на планете играет именно живое вещество. Рассмотрим его основные свойства.

1. Высокая химическая активность благодаря биологическим катализаторам (ферментам).

В живых организмах при ничтожных температурах протекают реакции между веществами, которые в воздухе не соединяются, даже в лабораторных печах при 1000-градусной жаре. Живые организмы, например, способны фиксировать в своем теле молекулярный азот атмосферы при нормальных атмосферных условиях, что в промышленных условиях требует температуры порядка 500С° и давления 300…500 атмосфер.

2. Высокая скорость протекания реакций.

Она на несколько порядков выше, чем в неживом веществе, например:

  • некоторые гусеницы потребляют за день количество пищи, которое в 100…200 раз больше веса их тела;
  • дождевые черви, совокупная масса которых в 10 раз больше биомассы всего человечества, за 150…200 лет пропускают через свои организмы весь однометровый слой почвы;
  • сурки, суслики и т.п. в результате своей деятельности создают своеобразный ландшафт местности;
  • практически все осадочные породы (слой 3 и более километров) на 95…99 % переработаны живыми организмами;
  • вся углекислота проходит через живые организмы в процессе фотосинтеза за 6…7 лет, вся вода Земли - за 5…6 млн лет.

3. Высокая скорость обновления живого вещества.

В среднем для биосферы она составляет 8 лет, для суши - 14 лет, а для океана - 33 дня (здесь преобладают организмы с коротким периодом жизни). За всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли.

4. Способность быстро занимать все свободное пространство.

Вернадский назвал это «всюдностью жизни». По словам Вернадского, «живое вещество - совокупность организмов, - подобно массе газа, растекатся по земной поверхности и оказывает определенное давление в окружающей среде, обходит препятствия, мешающие его движению, или ими овладевает, их покрывает. Это движение достигается путем размножения организмов». Именно это свойство позволило сделать вывод о постоянстве количества живого вещества во все эпохи. Некоторые микроорганизмы могли бы освоить весь земной шар за несколько часов или дней, если бы не было факторов, сдерживающих их потенциальные возможности. Так, например, численность некоторых бактерий удваивается каждые 22 минуты. Кроме того, жизнь обладает способностью увеличивать поверхность своего тела. Например, площадь листьев растений на 1 га, составляет 8…10 га и более. То же относится и к корневым системам.

5. Активность движения вопреки принципу роста энтропии.

Вся история жизни есть свидетельство борьбы с энтропией, то есть с силами разрушения. Жизнь сопротивляется естественному ходу событий, направленному на установление равновесия в природе. Наиболее показательными в этом плане являются такие примеры, как движение рыб против течения реки, движение птиц против силы тяжести и воздушных потоков и т.п.

6. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти.

В любом живом организме, в том числе и в организме биосферы, жизнь и смерть не могут обходиться друг без друга. Мы живем потому, что в нас беспрерывно что-то умирает и заменяется новым, а нарождающееся через развитие приходит к своей гибели. Любая подсистема организма после смерти должна вернуть вещество в круговорот жизни. Это обеспечивает бесконечность жизненного процесса.

7. Высокая приспособительная способность (адаптация).

Например, некоторые организмы выносят температуры, близкие к абсолютному нулю, другие встречаются в термальных источниках с температурой до 140 град., в жерлах вулканов, в сверхглубоких впадинах океана, в водах атомных реакторов, бескислородной среде и т.п.

Функции живого вещества в биосфере.

1. Энергетическая – аккумулирование энергии и перераспределение ее по пищевым цепям.

Жизнь возникает в соответствии с принципом Ле Шателье-Брауна, как ответ на рост энтропии, то есть на рассеяние энергии в окружающей среде. Поэтому концентрация энергии - это наиболее естественная функция жизни. Наличие живой оболочки планеты препятствует остыванию ее поверхности, аккумулируя в себе энергию, излучаемую в космос. Правда, сейчас жизнь биосферы развивается в основном в потоке солнечной энергии, аккумулируя ее в себе и препятствуя прямому отражению ее в космос. Эта энергия передается по пищевой цепи от одной формы жизни к другой. По мере этого движения ее энтропия значительно возрастает. В конечном итоге она переходит в тепловую форму и излучается за пределы планеты. Поэтому энтропия излучения, отраженного с поверхности планеты, оказывается существенно больше энтропии излучения, поглощаемого планетой. Именно за счет этой разницы энтропий существует жизнь на планете.

Таким образом, основным механизмом накопления энергии в биосфере является реакция фотосинтеза. Имеется также довольно незначительный процент хемосинтезирующих живых существ, чей жизненный цикл опирается на энергию химических соединений. Это разного рода бактерии (железо-бактерии, серобактерии, азотобактерии и др.). Обнаружены целые экосистемы, функционирование которых основано на активности хемосинтезирующих бактерий и не зависящих от продуктов фотосинтеза. Это глубоководные системы, где в абсолютной темноте вблизи выходов горячей воды, богатой минеральными солями и серой, помимо бактерий существуют и уникальные многоклеточные животные, типа двустворчатых моллюсков длиной около 30 см и трехметровые черви, получающие энергию от хемосинтезирующих бактерий. Возможно, было время, когда такие формы жизни были более разнообразными и заполняли всю поверхность Земли, до которой ввиду интенсивной вулканической деятельности не могли пробиться солнечные лучи.

2. Окислительно-восстановительная – окисление вещества в процессе жизнедеятельности и восстановление в процессе разложения при дефиците кислорода.

Наряду с фотосинтезом в зеленых растениях на Земле происходит почти равное ему по масштабу окисление органических веществ в процессе дыхания, брожения, гниения с выделением воды, углекислого газа и теплоты, которая после этого излучается в космическое пространство. Существенно меньшая часть энергии Солнца консервируется в земной коре, или, по словам Вернадского, «уходят в геологию», формируя залежи каменного угля, нефти, торфа и т.п. Эти процессы связаны с протеканием в бескислородной среде реакций восстановления, сопровождающихся образованием и накоплением сероводорода и метана.

3. Газовая – способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом.

Фотосинтез привел к постепенному уменьшению в атмосфере углекислоты и накоплению кислорода и озона. При этом в развитии биосферы наблюдалось по крайней мере два переломных момента:

  • первая точка Пастера (1,2 млрд. лет назад), когда количество кислорода достигло 1 % от современного уровня и появились первые аэробные организмы (живущие только в кислородной среде, в отличие от анаэробных, живущих в бескислородной среде);
  • вторая точка Пастера, когда количество кислорода достигло 10 % от современного уровня , создались условия для синтеза озона и озонового слоя, что защитило организмы от ультрафиолетовых лучей. До этого данную функцию выполняли густые водяные облака.

4. Деструктивная – разрушение погибшей биоорганики и костных веществ.

Это один из важнейших элементов круговорота веществ в биосфере, обеспечивающего непрерывность жизни путем превращения сложных органических соединений в минеральные вещества, необходимые для растений, стоящих в самых первых звеньях пищевых цепей. Практически все живые организмы биосферы за исключением растений в той или иной мере являются деструкторами (разрушителями). Однако главная роль в этом процессе принадлежит грибам и бактериям. Л.Пастер назвал бактерии «великими могильщиками природы». Одновременно жизнь участвует и в разрушении костных веществ (в частности горных пород), доводя их постепенно до состояния, после которого они могут быть вовлечены в круговорот жизни (так измельченные горные породы являются необходимым компонентом почвы).

5. Рассеивающая – рассеяние живого вещества на больших пространствах.

Например, рассеяние гемоглобина крови кровососущими или рассеяние органики экскрементов или трупов разного рода деструкторами.

6. Концентрационная – способность организмов концентрировать в своем теле рассеянные элементы окружающей среды.

Любое живое существо в процессе своей жизнедеятельности буквально по молекулам собирает из окружающей среды необходимые для него вещества и консервирует их в своей структуре. Поэтому, например, концентрация марганца в теле некоторых организмов превышает его концентрацию в окружающей среде в миллионы раз. В условиях антропогенного загрязнения окружающей среды побочным следствием этого может являться накопление растениями, которые мы потребляем в пищу, веществ, которые являются токсичными для нашего организма. Результатом концентрационной деятельности живых организмов являются залежи руд, известняков, горючих ископаемых и т.п.

7. Транспортная – перенос и перераспределение вещества и энергии.

Это является одним из механизмов рассеивающей функции живого вещества. Часто такой перенос осуществляется на громадные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. Это может также способствовать и концентрации элементов среды, достаточно вспомнить птичьи базары.

8. Средообразующая – преобразование физико-химических параметров окружающей среды.

В широком смысле результатом данной функции является вся природная среда. Она создана живыми организмами, они же и поддерживают ее в определенном стабильном состоянии. Так состав атмосферы и гидросферы - это продукт жизнедеятельности в биосфере. Живые организмы создали особый тип биокостного вещества - почвы. Коралловые заросли создают в океанах целые острова. Примером могут также служить леса, в которых микроклимат существенно отличается от микроклимата поля. Анализ показывает, что при отсутствии жизни на Земле, условия на ней были бы такими, что по нашим понятиям жизнь на ней была бы попросту невозможной:

  • ее атмосфера на 98 % состояла бы из углекислого газа (сейчас его около 0,03 %);
  • на 1,9 % – из азота (сейчас на Земле 79 % азота, являющегося вопреки своему названию (азот - не поддерживающий жизни) основным элементом при построении аминокислот);
  • кислорода практически не было бы (сейчас 21 %);
  • средняя температура поверхности 290±50С°, не оставляющая никаких шансов на наличие воды в жидком состоянии.

Словом, условия весьма похожие на условия планеты Венера.

9. Информационная – накопление информации и закрепление ее в наследственных структурах.

Эта функция пока еще мало изучена. Но, по всей видимости, ее важность превосходит все остальные функции живого вещества.

7.2. Круговорот вещества

Вещество, необходимое для жизни, может использоваться многократно. Эти процессы называются круговоротами веществ или биогеохимическими циклами. Энергия практически для любого круговорота поставляется от Солнца. Механизмы, обеспечивающие возвращение веществ в круговорот, основаны главным образом на биологических процессах.

В каждом круговороте удобно различать два фонда: резервный – большая масса медленно движущихся веществ, в основном в небиологической сфере; обменный – меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен между организмами и окружением.

Резервный фонд хранится обычно в относительно рассеянном и подвижном виде, доступном большинству живых организмов, где бы они ни находились. Наилучшим образом для этих целей подходит атмосфера и гидросфера, выполняющие роль своеобразных буферных зон, соединяющих между собой разные формы жизни. Менее подвижной буферной зоной является почва. Именно из буферных зон получают многие организмы питательные вещества, тщательно отбирая их из всего разнообразия веществ, присутствующих в резервном фонде. Продукты жизнедеятельности организмов также сбрасываются в буферные зоны, где они затем более или менее тщательно перемешиваются: то, что является «отходами» для одной формы жизни, может послужить пищей для другой формы жизни. В первую очередь это относится к растениям, которые не только получают все, что им нужно из атмосферы, почвы и воды (в случае водных растений), но и сбрасывают туда же тепло, влагу, продукты дыхания, отмершие листья и сучья и т.п. В меньшей мере с резервным фондом связаны животные, которые в основной своей массе не способны синтезировать биоорганику из рассеянных компонентов резервного фонда и существуют за счет обменного фонда, сосредоточенного главным образом в живом веществе.

Вследствие сказанного все биогеохимические циклы принято делить на два основных типа: круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океане) и осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Часть вещества уходит из круговорота в захоронения (прежде всего в бескислородной среде), то есть, по словам Вернадского, «уходят в геологию» в виде угля, торфа, нефти, осадочных пород и т.п. Мы рассмотрим только круговороты наиболее важных для жизни веществ.

7.2.1. Круговорот воды

Около трети поступающей на Землю энергии Солнца затрачивается на приведение в движение круговорота воды.

Море теряет из-за испарения воды больше, чем получает с осадками. На суше ситуация противоположная. То есть значительная часть осадков, поддерживающих экосистемы суши, приходит к нам с моря.

Однако немалый вклад в круговорот воды вносит и растительность данной конкретной местности, особенно в областях, находящихся в глубине континента, или же «экранированных» от моря грядой гор. Дело в том, что вода, поступающая в растения из почвы, почти полностью (97…99 %) испаряется через листья. Это называется транспирацией. Испарение охлаждает листья и способствует движению в растениях биогенных элементов. Одновременно это поддерживает локальные круговороты воды (вспомните грибные дожди), позволяющие растительному миру успешно существовать, даже если «дожди с моря» достаточно редки.

В результате деятельности человека количество лесов на континентах катастрофически уменьшается. Правда, лес не обязательно теряет больше влаги в результате транспирации, чем травянистая растительность. Проблема в том, что леса способствуют удержанию влаги на данной территории. Для агроценозов, пришедших на смену лесам, характерно уплотнение и эрозия почв и увеличение стока воды. Это привело даже к тому, что в некоторых областях с достаточным количеством осадков возникли местные пустыни. Особенно велики потери для грунтовых вод в сильно урбанизированных районах, где велик процент водонепроницаемых покрытий. Все это нарушает локальные круговороты воды, приводя к засухам и одновременно к наводнениям в низовьях рек в периоды дожей, принесенных с моря.

7.2.2. Круговорот углерода

Углерод является одним из самых необходимых для жизни компонентов. В состав органического вещества он включается в процессе фотосинтеза (рис.7.1). Затем основная его масса поступает в пищевые цепи животных и накапливается в их телах в виде различного рода углеводов.

Главную роль в круговороте углерода играет атмосферный и гидросферный фонды углекислого газа . Этот фонд пополняется при дыхании растений и животных, а также при разложении мертвой органики. Некоторая часть углерода ускользает из круговорота в захоронения. Однако человек в последнее время достаточно успешно разрабатывает эти захоронения, возвращая в круговорот жизни углерод и другие важные для жизни элементы, накопленные за миллионы лет. Хотя это приводит к ряду отрицательных для нас последствий, но как знать, может быть, именно эту миссию мы должны были выполнить для биосферы.

Например, известно, что увеличение содержания и понижение содержания в атмосфере приводит к усилению фотосинтеза. Может быть, после того, как мы очистим планету от современных форм жизни (в том числе и от своего присутствия на ней), начнется бурный этап развития новых более совершенных форм, которые сейчас не могут выдержать конкуренции. Ведь была же когда-то эпоха анаэробной жизни на земле. “Неприятным” продуктом их жизнедеятельности был кислород, накопление которого практически погубило эту форму жизни. Теперь ее следы можно обнаружить лишь в недрах болот, да в глубоководных впадинах. Но зато было дано начало новым более совершенным аэробным организмам, которые научились «нейтрализовывать» кислород и даже использовать его химическую активность для получения свободной энергии.

Рис.7.1

Фотосинтезирующий зеленый пояс и карбонатная система моря поддерживают постоянный уровень в атмосфере. Но за последние 100 лет содержание постоянно растет из-за новых антропогенных поступлений и сведения лесов. Полагают, что в начале промышленной революции (1800 г) в атмосфере Земли присутствовало около 0,029 % . В 1958 г., когда были проведены первые точные измерения, - 0,0315 %, в 1980 – 0,0335 %. Когда доиндустриальный уровень будет превышен вдвое (2050 г), ожидается повышение температуры в среднем на 1,5…4.5 градуса. Это связано в первую очередь с парниковым эффектом, к которому приводит повышенное содержание углекислого газа в атмосфере. Если в 20-м веке уровень моря поднялся на 12 см, то в 21-м веке нас может ожидать нарушение стабильности полярных ледяных шапок, что приведет к их таянию и катастрофическому подъему уровня мирового океана. По некоторым прогнозам в 2050 году под водой может оказаться Нью-Йорк и большая часть Западной Европы.

На фоне этого происходит потеря углекислоты из почвенного фонда, что вызвано окислением гумуса в почве после уничтожения лесов при последующем использовании этих земель для сельского хозяйства или строительства городов.

7.2.3. Круговорот азота

Азот входит в состав аминокислот, являющихся основным строительным материалом для белков. Хотя азот требуется в меньших количествах, чем, например, углерод, тем не менее дефицит азота отрицательно сказывается на продуктивности живых организмов.

Основным источником азота является атмосфера (рис.7.2), откуда в почву, а затем в растения азот попадает только в форме нитратов, которые являются результатом деятельности организмов-азотофиксаторов (отдельные виды бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов), а также электрических разрядов (молний) и других физических процессов. Остальные соединения азота не усваиваются растениями.

Рис.7.2

Второй источник азота для растений - результат разложения органики, в частности, белков. При этом в начале образуется аммиак, который преобразуется бактериями-нитрификаторами в нитриты и нитраты.

Возвращение азота в атмосферу происходит в результате деятельности бактерий-денитрификаторов, разлагающих нитраты до свободного азота и кислорода.

Значительная часть азота, попадая в океан (в основном со сточными континентальными водами), частично используется водной растительностью, а затем по пищевым цепям через животных возвращается на сушу. Небольшая часть азота выпадает из круговорота, уходя в осадочные соединения. Однако эта потеря компенсируется поступлением азота в воздух с вулканическими газами, а также с индустриальными выбросами. Если бы наша цивилизация достигла такой технической мощи, что смогла бы блокировать все вулканы на Земле (я не сомневаюсь, что подобные проекты обязательно возникли бы), то при этом из-за прекращения поступлений углерода, азота и других веществ, от голода могло бы погибнуть больше людей, чем страдает сейчас от извержений вулканов.

Антропогенный азот поступает в природу в основном в форме азотных удобрений. Их количество примерно равно природной фиксации азота в атмосфере, но ниже биологической фиксации.

В природных экосистемах порядка 20 % азота - это новый азот, полученный из атмосферы путем азотофиксации. Остальные 80 % возвращаются в круговорот вследствие разложения органики. В агросистемах из азота, поступившего на поля с удобрениями, очень небольшая часть используется повторно, большая же часть теряется с собираемым урожаем, а также в результате выщелачивания (выноса водой) и денитрификации.

Лишь прокариоты, безъядерные, самые примитивные микроорганизмы могут превращать биологически бесполезный газообразный азот в формы, необходимые для построения и поддержания живой протоплазмы. Когда эти микроорганизмы образуют взаимовыгодные ассоциации с высшими растениями, фиксация азота значительно усиливается. Растения представляют бактериям подходящее местообитание (корневые клубеньки), защищают микробы от излишков кислорода и поставляют им необходимую высококачественную энергию. За это растение получает легкоусвояемый фиксированный азот. Мечта современных специалистов по генной инженерии - создать самоудобряющиеся сорта зерновых культур, которые имели бы на корнях клубеньки с азотофиксирующими бактериями, аналогичные клубенькам на корнях бобовых растений. Полагают, что это позволило бы совершить существенный прорыв в сельском хозяйстве. Однако как знать, не нарушит ли подобное увеличение природной фиксации свободного азота того хрупкого баланса притока и оттока азота в атмосфере, который обеспечивает стабильность концентрации азота в воздухе, которым мы дышим.

7.2.4. Круговорот фосфора

Фосфор является необходимым компонентом нуклеиновых кислот (РНК и ДНК), выполняющих в биосистемах функции, связанные с записью, хранением и чтением информации о строении организма. Фосфор - достаточно редкий элемент. Относительное количество фосфора, требуемое живым организмам, гораздо выше, чем относительное содержание его в тех источниках, откуда организмы черпают необходимые им элементы. То есть дефицит фосфора в большей степени ограничивает продуктивность в том или ином районе, чем дефицит любого другого вещества, за исключением воды.

Фосфор встречается лишь в немногих химических соединениях. Он циркулирует, переходя из органики в фосфаты, которые могут затем использоваться растениями (рис.7.3). Особенность круговорота фосфора в том, что в нем отсутствует газообразная фаза. То есть основным резервуаром фосфора является не атмосфера, а горные породы и другие отложения, образовавшиеся в прошлые эпохи. Породы эти подвергаются эрозии, высвобождая фосфаты в экосистемы. После неоднократного потребления его организмами суши и моря фосфор в конечном итоге выводится в донные осадки. Это грозит дефицитом фосфора. В прошлом морские птицы, по-видимому, возвращали фосфор в круговорот. Сейчас основным поставщиком фосфора является человек, вылавливая большое количество морской рыбы, а также перерабатывающий донные отложения в фосфаты. Однако добыча и переработка фосфатов создает серьезные проблемы с загрязнением окружающей среды.

Рис.7.3

7.2.5. Круговорот серы

Сера является элементом, необходимым для синтеза многих белков. Для биосистем требуется очень мало серы. Круговорот серы осуществляется через воздух, воду и почву (рис.7.4). Сульфат аналогично нитрату и фосфату - основная доступная форма серы, которая восстанавливается растениями и включается в белки. Затем она проходит по пищевым цепям экосистем и возвращается в круговорот с экскрементами животных.

Рис.7.4

Основными источниками поступления соединений серы в биосферу являются производственная деятельность человека (сжигание угля и серосодержащих углеводородов), вулканы, разложение органики и распад серосодержащих руд и минералов.

«Кольцо» в центре схемы иллюстрирует процессы окисления (О) и восстановления (R), благодаря которым происходит обмен серы между фондом доступного сульфата и фондом сульфида железа, находящимся глубоко в почве и осадках.

7.2.6. Осадочный цикл

Рис.7.5

Большинство важных для жизни элементов, таких как железо, кальций, калий, магний, марганец, медь, хлор и др., более привязано к земле, чем, например, азот или углерод (рис.7.5). Их круговороты входят в общий осадочный цикл, циркуляция в котором осуществляется путем эрозии, осадкообразования, горообразования, вулканизма и биологического переноса.

Чем меньше эрозия, тем меньший поток веществ потребуется извне. В периоды минимальной геологической активности накопление минеральных элементов питания происходит на низменностях и в глубинах океанов за счет возвышенных районов. Этому способствует, например, распашка земель, что обедняет почвы. Но избыток этих веществ в низовьях может привести к тому, что жизнь будет «задушена» потоками ила, грязи, токсичных веществ и т.п.

7.2.7. Круговорот второстепенных элементов

Второстепенные элементы, подобно жизненно важным, нередко мигрируют между организмами и средой, хотя и не представляют какой-либо ценности для организмов. Большинство из этих элементов участвуют в общем осадочном цикле. Обычно они оказывают малое воздействие на живые существа. Однако могут быть и неожиданные последствия, связанные в основном с деятельностью человека. Например, радиоактивный стронций-90, ранее в природе не существовавший, по химическим свойствам похож на кальций, поэтому, попав в организмы, он накапливается в костях и оказывается в тесном контакте с кроветворными тканями. Радиоактивный цезий-137 по свойствам схож с калием и поэтому быстро циркулирует по пищевым цепям.

Современная промышленность обогатила биосферу ртутью, соединениями кадмия, меди, цинка, свинца. Для жизни эти вещества токсичны.

7.2.8. Круговорот элементов в тропиках

В холодных районах большая часть органических веществ находится в почве или отложениях, в тропиках - в основном в биомассе, чему способствуют различные биологические адаптации, мутуалистические отношения (симбиоз) между микроорганизмами и растениями, удерживающие элементы питания. Здесь обеспечивается прямой круговорот от растения к растению. Если нарушить эту формировавшуюся тысячелетиями структуру, то восстановить ее уже невозможно.

Попытки использовать освобождающиеся после вырубок земли для выращивания сельскохозяйственных культур также безуспешны. Так, например, в северных лесах в почве и подстилке содержится более половины всего органического углерода, в тропическом лесу - менее одной четверти, основная масса углерода содержится в растительных тканях. Питательные вещества быстро утрачиваются из почвы. Поэтому стратегия земледелия умеренной зоны, основанная на монокультурах однолетних растений, совершенно непригодна для тропиков. Исключение составляют только некоторые древние технологии, такие как технология выращивания риса или сахарного тростника. Но таких примеров - единицы.

7.2.9. Загрязнение воздуха

Оксиды азота ( и ) и серы () в отличие от нитратов и сульфатов токсичны. Сжигание топлива увеличило содержание этих соединений сверх предельно допустимых концентраций (ПДК).

Особенно вредна двуокись серы. Она вредна для фотосинтеза. Она также реагирует с водяным паром и образует капли слабой серной кислоты, которая выпадает на землю кислотными дождями. Высокие трубы ТЭЦ уменьшили местное загрязнение воздуха, но ухудшилось общее положение, так как окислы дольше остаются в слое облаков и образуется больше кислоты.

Окислы азота раздражают дыхательные органы высших животных. Химические реакции с другими загрязнителями обусловливают синергетический эффект (общее воздействие продуктов реакции больше суммарного воздействия каждого из реагирующих веществ). Так под действием ультрафиолетового излучения Солнца вступает в реакцию с продуктами неполного сгорания углеводородов, в результате возникает фотохимический смог.

7.2.10. Пути возврата элементов в круговорот

Можно выделить несколько путей возврата элементов в круговорот:

  • через микробное разложение;
  • через экскременты животных;
  • прямой передачей от растения к растению в симбиозе;
  • физическими процессами (молния, ионизация и т.п.);
  • за счет энергии топлива (например, при промышленной фиксации азота);
  • автолиз (саморастворение) - высвобождение питательных веществ из остатков растений и экскрементов без участия микроорганизмов.

Если не разрушать природные механизмы рециркуляции и не отравлять их, то они в основном самопроизвольно реализуют возврат в круговорот воды и элементов питания. К сожалению, человек так ускоряет движение многих веществ, что круговороты становятся несовершенными или процесс теряет цикличность: в одних местах возникает недостаток, а в других - избыток каких-то веществ. Кроме того, человек изымает из круговорота многие элементы, связывая их в таких веществах, для которых в природе отсутствуют деструкторы, поэтому он вынужден сам быть деструктором этих веществ. Поэтому одной из основных целей общества должно стать возвращение вещества в круговорот.

ПОВТОРИМ

  1. Характеристика типов веществ в биосфере.
  2. Основные свойства живого вещества.
  3. Функции живого вещества в биосфере.
  4. Круговороты вещества в биосфере.

Глава 8

ДВИЖЕНИЕ ЭНЕРГИИ В БИОСФЕРЕ

По словам Ю. Одума, «экология, по сути дела, изучает связь между светом и экологическими системами и способы превращения энергии внутри системы».

Жизнь возникает и развивается в потоке энергии, которая частично аккумулируется в биосистемах в разного рода круговоротах вещества. В предыдущей главе мы рассмотрели только глобальные круговороты, охватывающие всю биосферу в целом. Кроме этого, существуют и малые круговороты, характерные для отдельных экосистем. В любом многоклеточном организме также можно выделить несколько круговоротов, необходимых для жизнедеятельности веществ, аналогичных биогеохимическим циклам биосферы. Подобные движения вещества можно наблюдать и в цитоплазме одноклеточных организмов. Даже в небиологических системах при достаточно большой разнице сил на входе и выходе системы можно наблюдать переход ее в нелинейное состояние, иногда достаточно явно сопровождающийся возникновением циклических движений вещества или автоколебаний (например, турбулентное течение жидкости, ячейки Бернара, реакции Белоусова-Жаботинского и т.п.). То есть внутрисистемный круговорот веществ это и есть способ аккумулировать энергию в системе.

Движение энергии в биосфере существенно отличается от движения вещества. Согласно принципу роста энтропии поток энергии направлен всегда в одну сторону, круговорот энергии невозможен. Живое вещество уменьшает энтропию части энергии, аккумулируя ее в своих структурах. Но большая часть энергии, проходя через биосферу, деградирует и покидает планету в виде низкокачественной тепловой энергии. Энергия может накапливаться, затем снова высвобождаться или экспортироваться, но ее нельзя использовать вторично.

Принципиальная невозможность утилизации тепловой энергии на фоне прогрессирующего роста количества энергии, высвобождаемой человеком непосредственно на планете (сжигание топлива, расщепление ядра, ядерный синтез и т.п.) помимо солнечной энергии, есть один важнейших факторов надвигающейся экологической катастрофы.

8.1. Основные закономерности движения энергии

Понятие энергии определяется, как способность совершать работу. Хотя вся современная наука проникнута этим понятием, природа энергии до сих пор до конца не понята. Особенно ярко это проявилось после того, как мир узнал, что .

Впервые наиболее полно понятие энергии было проработано в термодинамике, что вылилось в формулировку двух наиболее основополагающих законов, описывающих свойства энергии:

  • первый закон термодинамики (принцип сохранения энергии) - энергия может переходить из одной формы в другую, но она никогда не исчезает и не создается заново;
  • второй закон термодинамики (принцип роста энтропии) - все реальные процессы превращения энергии сопровождаются ростом энтропии, то есть переходом энергии в более рассеянное состояние.

Энтропия, или дословно способность к превращению, есть величина еще более непонятная, чем энергия. Некоторые вопросы, касающиеся понятия энтропии, мы уже рассмотрели в предыдущих главах. Здесь мы несколько дополним его, акцентировав внимание именно на энергетической стороне вопроса. Для этого рассмотрим сначала, каким образом термин энтропия вошел в научный лексикон.

Известно, что во всех естественных процессах теплообмена тепло передается только от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой и никогда наоборот. То есть, если от тела 1 с температурой Т1 и энтропией S1 = Q1/T1 отводится к телу 2 с температурой Т2 (Т1 > Т2) и энтропией S2 =Q2/T2 некоторое количество теплоты dQ, достаточно малое, чтобы температуры обоих тел не уменьшились, то энтропия тела 1 изменится (уменьшится) на величину dS1 = dQ/T1 (здесь dQ < 0, следовательно, dS 1< 0), а энтропия тела 2 изменится (увеличится) на величину dS2 = dQ/T2 (здесь dQ > 0, следовательно, dS2 > 0), причем так как Т1 > Т2, то по абсолютной величине |dS1| < |dS2|. Общая энтропия двух тел:

S = S1+dS1+S2+dS2=S1-|dS1|+S2+|dS2| > S1+S2 ,

то есть в процессе теплопередачи суммарная энтропия двух тел возрастает и никогда не убывает.

Это и есть формулировка второго закона термодинамики. То есть энтропия - это величина, характеризующая направление естественных процессов теплопередачи и, как выяснилось, вообще любых процессов преобразования энергии.

Энтропию называют тенью энергии. Как мы уже говорили, в более широком смысле под энтропией понимают меру качества, то есть меру концентрации и упорядочения энергии. Так тепловая энергия с большей температурой обладает меньшей энтропией S =Q/T, то есть большим качеством, чем такое же количество тепла при меньшей температуре. Поэтому по мере понижения температуры рабочего тела, например, пара, до температуры окружающей среды, можно попутно превратить часть тепловой энергии в механическую работу (тепловая машина). Чем больше качество энергии, то есть, чем больше превышение температуры пара над температурой окружающей среды, тем большее количество работы можно получить. Разные виды энергии обладают разным качеством. Так, например, упорядоченное движение частиц твердого тела (механическое движение) обладает большим качеством, чем хаотичное движение этих же частиц с той же средней скоростью (тепловое движение). Поэтому любое механическое движение при наличии трения сопровождается самопроизвольным превращением части механической энергии в тепловую. Поэтому иногда используют такие формулировки второго закона термодинамики: невозможно создать машину с КПД = 1; все естественные процессы идут в направлении ухудшения качества (деградации) энергии.

Когда мы говорим об энергии, особенно в контексте, связанном с энергетическим кризисом, следует помнить, что энергии на Земле вполне достаточно. Теплоход, идущий по океану, идет по морю энергии. Тем не менее, он вынужден вести с собой запас угля, потому что энергия, запасенная в океане, обладает низким качеством. Для полезного использования нужна именно высококачественная энергия, энтропия которой ниже энтропии энергии, рассеянной в окружающей среде. Энергию океана можно использовать только при наличии холодильника с более низкой температурой, чем температура океана. В качестве такого холодильника может выступать только космос, в который Земля «сбрасывает» излишки тепла. За счет этого ресурса во многом формируется энергия ветров.

Именно разность энтропий на входе и выходе энергетического потока порождает фактор, который мы обозначаем понятием силы, приводящей в движение все процессы в природе. По сути дела, любая сила имеет энтропийную природу. Рассмотрим пример с обычным футбольным мячом. Если он туго накачан, то можно выделить область, ограниченную поверхностью мяча, где концентрация частиц (носителей энергии) больше, чем в окружающей среде. Накачивая мяч, мы создаем неравновесие в системе, упорядочивая частицы в пространстве и увеличивая концентрацию энергии. По второму закону термодинамики система стремится к состоянию с максимумом энтропии. Это воспринимается в окружающем мире как проявление силы давления. Чем дальше система от равновесного состояния, тем больше сила. Эта сила создает поток энергии, направленный в сторону уменьшения неравновесия в системе. Остановить этот поток может только то, что при его появлении по каким-то причинам будет уменьшаться энтропия. Но растяжение резины поверхности мяча как раз и приводит к уменьшению энтропии. Понять это можно, рассмотрев строение молекулы каучука. Она представляет собой длинную полимерную цепь, свернутую в клубок случайным образом. Попытка выпрямить ее путем растяжения резины приводит к увеличению порядка в молекуле, то есть к уменьшению энтропии. Таким образом, два противоречивых фактора оказывают противоположные воздействия, в системе устанавливается такое состояние, которое соответствует локальному максимуму энтропии.

Наличие упорядоченных структур типа кристаллических решеток, живых организмов и т.п., способствует упорядочению движения частиц за счет уменьшения их степеней свободы. Поэтому принцип роста энтропии требует роста количества степеней свободы в каждом реальном процессе превращения энергии. Поэтому все упорядоченные структуры имеют тенденцию к разрушению. «Все разрушается, все умирает, все приходит в хаос» - это еще одна формулировка второго закона термодинамики.

Правда, помимо такого разрушения есть еще один способ увеличения количества степеней свободы - усложнение структуры системы. Именно по этому пути движется глобальный эволюционный процесс. При этом природа никогда не стремится достичь полного хаоса на данном уровне системной иерархии. В этом случае эволюция Вселенной остановилась бы достаточно быстро. Обычно в пределах данного иерархического уровня открываются некоторые устойчивые структуры, из которых строятся более высокие иерархические уровни, характеризующиеся большими значениями максимально возможной энтропии, чем на предыдущем уровне. Это дает возможность непрерывному росту энтропии.

Так обычно тенденция к возникновению хаоса реализуется в стремлении вещества к рассеянию (например, растворение сахара в воде). Но в случае сложных органических соединений больший хаос (рассеяние энергии) может быть достигнут именно при концентрации вещества. Например, капли масла, рассеянные в воде, стремятся слиться в одну большую каплю. Дело в том, что молекулы воды «окутывают» молекулу углеводорода своеобразной упорядоченной оболочкой. Поэтому чем больше поверхность масла, тем более упорядоченными оказываются молекулы воды, чего природа допустить не может. Поэтому в хаосе движения капель они обязательно рано или поздно примут состояние с наименьшей поверхностью, то есть сольются в одну большую каплю.

Именно это, вероятно, послужило в свое время началом одноклеточной жизни. Так в растворе белковых молекул формируются так называемые коацерватные капли, имеющие стабильную и иногда достаточно сложную структуру и поглощающие из раствора строго определенные вещества.

В биосистемах стремление к хаосу реализуется еще в более сложных механизмах. Примером тому может служить процесс деления клеток. Производство энтропии за счет протекания внутриклеточных процессов пропорционально объему клетки V, а отток энтропии из клетки пропорционален площади ее поверхности S. Если клетка имеет форму шара, то , . Прирост энтропии в клетке . При малых радиусах прирост энтропии . С ростом клетки ее радиус увеличивается, пока не достигнет некоторого критического значения при r = 3B/A, характеризующегося . В случае дальнейшего роста энтропия в клетке будет расти . Чтобы не допустить этого, она должна разделиться, иначе она погибнет от голода, перегрева и отравления своими же отходами.

Существуют и другие механизмы, решающие данную проблему. Клетка может увеличить площадь своей поверхности, например, приобрести форму эллипсоида, цилиндра (палочки) или нити, образовать корнеподобные выросты, ложноножки и т.п. Многоклеточные организмы решают подобную проблему аналогичным образом. У растений увеличивается поверхность листьев и корней. У животных в отличие от растений подобное увеличение поверхности упрятано обычно внутрь организма, чтобы не мешать движению. Достаточно вспомнить развитые поверхности кишечника, органов дыхания, кровеносной системы и т.п. Например, общая поверхность всех эритроцитов взрослого человека составляет около 3000 , общая длина всех капилляров - около 100 000 км и т.д.

Нечто аналогичное происходит и в рамках таких сверхорганизмов, как экосистемы. Здесь дифференциация достигается путем увеличения экологических ниш и разнообразия видов, населяющих данную экосистему, удлинением и усложнением пищевых цепей, совершенствованием внутривидовых и межвидовых отношений и т.п. Все это есть следствие принципа роста энтропии.

Таким образом, разрушение структуры, требуемое принципом роста энтропии, является необходимым компонентом жизненного процесса. Но жизнь научилась использовать разрушение во благо, поэтому разрушение не обязательно сопровождается гибелью биосистем. «Умеренное разрушение», на которое накладываются определенные запрограммированные ранее ограничения, приводит к расширению и усложнению жизни. Наиболее характерно в этом отношение деление клетки. Здесь смерть и рождение слились в одном процессе. Очень ярко об этом свойстве жизни выразился Ричард Бах: «Там, где глупец видит смерть гусеницы, мудрец видит рождение бабочки».

8.2. Энергетика экосистем

Если движение вещества зачастую организуется в глобальный круговорот, захватывающий многие экосистемы биосферы, то движение энергии удобно рассматривать на примере какой-то одной экосистемы. Достаточно крупные экосистемы, такие как биогеоценозы, имеют все промежуточные уровни, которые проходит энергия при движении ее от состояния солнечного света до состояния тепла, которое сначала утилизируется в буферных зонах биосферы (атмосфера, гидросфера, литосфера), а затем излучается в космическое пространство (в инфракрасной части электромагнитного спектра).

Вывод энтропии из организма есть непременное условие его существования. Все процессы жизнедеятельности сопровождаются ростом внутренней энтропии организма . Чтобы не погибнуть, клетка должна потребить из окружающей среды отрицательную энтропию (негэнтропию, информацию) , что равносильно выводу энтропии из организма. Для этого обычно используется энергия химических реакций. Нужно взять из окружающей среды необходимые компоненты (пища) и создать условия для протекания реакции, продуктами которой должны стать вещества, содержащие в своей структуре больше энтропии, чем исходные компоненты. Обычно в этих реакциях разрушаются структуры более сложных молекул, например, молекул белка, жиров или углеводов. Затем эти продукты распада удаляются из организма. Себе же организм оставляет нечто, характеризующееся разницей энтропии исходных компонентов и энтропии продуктов реакции . Это нечто мы называем свободной энергией, которая по отношению к данному организму обладает отрицательной энтропией (негэнтропией), и за счет которой приводятся в движение внутренние упорядоченные процессы.

Например, глюкоза сгорает в организме, образуя двуокись углерода и воду. Это один из самых универсальных процессов, который лежит в основе дыхания и пищеварения. Разумеется, при сгорании глюкозы внутри организма не возникает пламени: живой организм устроен гораздо сложнее и тоньше, чем очаг, он извлекает свободную энергию химическими средствами, не допуская более знакомого нам расточительного сгорания. Продукты реакции, двуокись углерода и вода удаляются из организма при дыхании, потовыделении, экскрементации и т.п.

Высвобожденная энергия претерпевает ряд превращений, обеспечивая тем самым протекание всех физиологических процессов, двигательных функций и т.п. Эту часть энергии рассматривают как траты на дыхание. Частично деградируя в каждом таком превращении, энергия постепенно полностью переходит в тепло, которое после этого удаляется из организма в окружающую среду.

Однако не вся свободная энергия, полученная в подобных экзотермических реакциях, проходит через организм подобным путем. Часть энергии используется на организацию ряда эндотермических реакций, то есть связывается в сложных молекулярных структурах. В первую очередь это реакции синтеза необходимых белков, нуклеиновых кислот и т.п. В данном случае эта доля свободной энергии идет на строительство и «ремонт» организма, то есть на упорядочение внутренней структуры. Эта энергия, накопленная в веществе организма, называется продукцией.

Некоторая доля пищи не усваивается организмом, следовательно, из нее не высвобождается энергия. Эта энергия выводится из организма вместе с экскрементами и впоследствии высвобождается из них уже другими организмами.

Ввиду наличия в своей структуре сложномолекулярных соединений, данный организм может служить пищей для другого организма. При этом его структура подвергается механическому и химическому разрушению.

Высвободившаяся при этом свободная энергия используется так же, как в вышеописанном случае. Таким образом, формируется так называемая пищевая или трофическая (от греческого слова трофе - питание) цепь, в которой происходит перенос энергии через ряд организмов путем поедания одних организмов другими.

Трофическая цепь, как правило, иерархична, то есть состоит из последовательности уровней, называемых трофическими уровнями. Организмы, стоящие на каждом трофическом уровне, приспособлены природой для потребления определенного вида пищи, в качестве которой выступают организмы предыдущего трофического уровня (или нескольких предыдущих уровней). В принципе, организмы с более высоких трофических уровней также могут служить пищей на данном уровне, но это не является характерным, так как каждый следующий уровень трофической цепи аккумулирует в себе более качественную энергию и поэтому играет регулирующую функцию по отношению к нижним уровням, о чем будет подробнее сказано ниже. Другими словами, чем дальше трофический уровень от начала цепи, тем сильнее влияние организма на окружение, тем больше его возможности.

Трофические цепи можно разделить на два основных типа: пастбищную цепь и детритную цепь.

На вершине пастбищной цепи стоят зеленые растения (рис.8.1). Они не могут высвобождать энергию путем разрушения органики с предыдущего трофического уровня, поэтому единственным источником энергии является солнечный свет. При этом используются только достаточно энергичные фотоны длиной волны 380-710 нм, что близко к видимой части спектра (наиболее сильно поглощаются синий и красный цвета, зеленый свет поглощается слабее). Эту энергию называют фотоактивной радиацией (ФАР). В качестве строительного материала, то есть исходных компонентов для синтеза, используются простейшие минеральные и органические вещества, рассеянные в почве и в воздухе. К наиболее важным компонентам относится углекислый газ, являющийся продуктом жизнедеятельности всех организмов планеты. Именно здесь происходит возвращение в круговорот биологического углерода.

Рис.8.1

Так как зеленые растения «никого не едят» и все необходимое для их жизни синтезируют сами (конечно с участием солнечного света), их называют автотрофами («самопитающимися»). Все остальные уровни трофической цепи существуют за счет энергии, накопленной в органике зеленых растений. Поэтому по отношению к трофической цепи растения называют продуцентами, то есть создающими первичную продукцию. Организмы на всех остальных уровнях трофической цепи называются консументами (потребителями) первого, второго и т.д. порядка в зависимости от трофического уровня. Так как эти организмы не могут сами синтезировать органику и вынуждены питаться другими организмами, их называют гетеротрофами (питающийся другими).

На втором уровне пастбищной цепи стоят обычно фитофаги, то есть животные, питающиеся растениями, в частности травоядные. Третий и более высокий уровни занимают хищники или зоофаги (питающиеся животными). Иногда эта цепочка может быть достаточно длинной, особенно в водоемах. Например, фитопланктон - зоопланктон - личинки насекомых - мелкая рыба - крупная рыба - хищные животные суши - животные, питающиеся падалью. Могут быть и промежуточные звенья.

Любая пастбищная цепь переходит в детритную цепь. Термин детрит означает «продукт распада» (от латинского слова deterere – изнашиваться). Он позаимствован из геологии, где им называют продукты разрушения горных пород. В экологии детритом называют органическое вещество, вовлеченное в процесс разложения.

Уже уровень животных-падальщиков можно считать началом детритной цепи. В отличие от пастбищной цепи размеры организмов при движении вдоль детритной цепи не возрастают, а наоборот, уменьшаются. Так на втором уровне могут стоять насекомые-могильщики. Но самыми типичными представителями детритной цепи являются грибы и микроорганизмы, питающиеся мертвым веществом и довершающие продукт разложения биоорганики до состояния простейших минеральных и органических веществ, которые затем в растворенном виде потребляются корнями зеленых растений в вершине пастбищной цепи, начиная тем самым новый круг движения вещества. Поэтому такие организмы-деструкторы (разрушители) называются еще редуцентами (от латинского слова редуцере - возвращать), или сапрофагами (от греческого слова сапрос - гнилой).

Пастбищная и детритная цепи в разных экосистемах присутствуют по-разному. Например, в лесу лишь небольшая часть зелени поступает в пищу консументам. Большая часть отмерших растений и их фрагментов поступает непосредственно к редуцентам. То есть лес считается экосистемой с преобладанием детритных цепей. В экосистеме гниющего пня пастбищная цепь вообще отсутствует. В то же время, например, в экосистемах поверхности моря практически все продуценты, представленные фитопланктоном, потребляются животными, а их трупы опускаются на дно, то есть уходят из данной экосистемы. В таких экосистемах, как говорят, преобладают пастбищные пищевые цепи или цепи выедания.

В любой экосистеме разные пищевые цепи не изолированы друг от друга, а переплетаются друг с другом в сложные пищевые (трофические) сети. Эти сети могут быть достаточно сложными и динамичными. Бывает очень трудно отнести какое-то животное к тому или иному уровню трофической сети. Ярким примером является человек, который питается как растениями, так и мясом животных. Тем не менее несмотря на некоторую условность деления трофической сети на уровни, в ней всегда присутствуют по крайней мере три уровня, обеспечивающие круговорот вещества в экосистеме: продуценты - консументы - редуценты.

Следует отметить, что с одного трофического уровня на другой передается не вся энергия данного уровня, а только та, которая накапливается в структуре организмов данного уровня. Основная часть энергии, усвоенной консументами с пищей, тратится на их жизнеобеспечение (дыхание). В сумме с неусвоенной пищей (экскременты) это составляет в среднем порядка 90 % от потребленной энергии. То есть энергия, накопленная в структурах организмов, а значит, передаваемая на следующий трофический уровень, в среднем составляет около 10 % от энергии, потребленной с пищей. Эта закономерность называется «правилом десяти процентов».

На биосферу из космоса падает солнечный свет с энергией 2 кал/(). Проходя через атмосферу, он ослабляется и в ясный летний день до поверхности Земли доходит не более 67 % его энергии, то есть 1,34 кал/(), в пасмурный день ослабление еще существенней. За день к автотрофному слою поступает в среднем 300…400 . Фотоактивная радиация, используемая при фотосинтезе, составляет порядка 40 % от поступившей солнечной радиации. Из нее растения связывают только около 1 % энергии. Только эта энергия, накопленная в органике растений, составляет первичную продукцию, которая затем может передаваться далее по пищевым цепям.

Из ограниченности количества поступающей энергии и правила десяти процентов следует, что все трофические цепи могут иметь только ограниченное количество уровней, как правило, не больше 4…5. Количество живого вещества на каждом следующем уровне примерно на порядок меньше, чем на предыдущем.

Существует и еще одно следствие, очень важное для нашей цивилизации: с энергетической точки зрения потребление животной продукции, особенно с дальних уровней цепей питания, нецелесообразно. Примером могут служить пруды для спортивной ловли рыбы. Рыболову интересно вылавливать достаточно крупную рыбу, например окуня, который питается более мелкой рыбой. Поэтому для разведения окуней требуется водоем с большим количеством мелкой рыбы, питающейся зоопланктоном и мотылем, которые в свою очередь питаются фитопланктоном и его детритом. Пруд только с мелкой рыбой давал бы больше рыбы по биомассе, чем пруд с окунями, но человеку мелкие рыбы просто не интересны.

Особенно велики потери энергии при переходе от растений к травоядным животным. Поэтому с точки зрения роста народонаселения планеты энергетически наиболее выгодным является вегетарианство. Так, например, если мальчик весом 48 кг питался бы только мясом, то за год он съедал бы где-то 4,5 теленка, для выращивания которых требуется урожай люцерны с площади 4 га весом 8211 кг. Таков энергетический эквивалент питания ребенка.

При нормальном питании взрослый человек потребляет 80…100 кг мяса в год. При таком рационе уже невозможно обеспечить равноправие для 6 миллиардов людей планеты. При минимальном расходе мяса можно прокормить около 8 миллиардов людей. Переход всех людей на вегетарианство может обеспечить пищей приблизительно 15 миллиардов людей.

Эти цифры не зависят от успехов сельского хозяйства, а опираются только на данные по энергетике экосистем. Принципиальное ограничение наложено самим Солнцем. Правда, мы можем привлечь в сельское хозяйство дополнительные энергетические субсидии, в первую очередь от сжигания топлива и ядерных реакций. Собственно, это мы и делаем. Агросистемы - это яркий пример дополнительно субсидируемых экосистем. Здесь дополнительная энергия поступает в виде мышечных усилий человека и животных, работы машин, использующих горючее, орошения, внесения удобрений, пестицидов и т.п. Еще в прошлом веке Мальтус предупреждал, что уже 2 миллиарда людей Земля прокормить не в состоянии. Мы смогли превысить эту цифру только за счет энергетических субсидий в сельское хозяйство. Но этим мы неумолимо приближаем к себе другой аспект экологической катастрофы, которая пока еще нас мало тревожит, но первые ее предвестники уже говорят о себе в возросшей штормовой активности океанов, ослаблении стабильности антарктических ледниковых шельфов и т.п. Имеется в виду тепловая катастрофа. Сможем ли мы преодолеть и эту опасность? Очень сомнительно. Здесь запрет наложен одним из фундаментальнейших законов природы: принципом роста энтропии.

Для чего природе нужна столь сложная система передачи энергии? В чем положительная роль идеи сплошного поедания друг друга? Зачем нужны природе разрушители (деструкторы)? Во-первых, все консументы призваны вернуть вещество в круговорот. Без этого жизнь не смогла бы постоянно усложнять свои формы, то есть рано или поздно исчерпался бы лимит возможности роста энтропии. В рамках всей Вселенной это противоречит самим принципам ее существования. Таким образом, несмотря на то, что Земля - это «планета растений» (именно растения являются настоящими созидателями на планете), животные также необходимы для жизни биосферы. Во-вторых, чем сложнее трофическая сеть данной экосистемы, тем интенсивней круговорот веществ. Это облегчает поток энергии через экосистему. В-третьих, консументы - это не просто “пассивные едоки”. Удовлетворяя свои потребности в энергии, они регулируют всю экосистему, то есть являются основными звеньями механизмов гомеостаза экосистем. Причем реализуемые ими обратные связи могут быть не только отрицательными (выедание, то есть уменьшение биомассы предыдущего уровня трофической цепи), но и положительными. Так многие животные разными способами «ухаживают» за своими кормовыми растениями или как-то иначе способствуют их росту. Например, злаки, листья которых объедают кузнечики, быстрее восстанавливаются, чем злаки с обрезанными листьями.

8.3. Особенности энергетики человека

При движении вдоль пастбищной пищевой цепи от одного уровня к другому вместе с уменьшением количества живого вещества на каждом уровне увеличивается качество энергии, запасенной в этом веществе (рис.8.2).

Рис.8.2

Для того, чтобы образовать 1 ккал биомассы хищника, требуется около 10000 ккал энергии солнечного света, или 10 ккал биомассы травоядных животных (под биомассой понимают живое вещество, выраженное в сухом весе или энергетическом эквиваленте). Соответственно качество энергии, накопленной в биомассе хищников, в 10 раз выше, чем в биомассе травоядных. Это более высокое качество проявляется в управляющем воздействии, которое оказывают организмы данного трофического уровня на организмы предыдущего уровня. Хищники регулируют жизнь травоядных, в свою очередь травоядные регулируют фитоценоз.

Этот принцип характерен не только для биосистем, но является общим для всех процессов преобразования энергии. Любым потоком энергии можно управлять только с помощью энергии более высокого качества. Например, с помощью электроэнергии достаточно просто управлять потоками тепловой энергии, но вот добиться обратного можно только, если предварительно повысить качество тепловой энергии, например существенно увеличив ее температуру. Электроэнергия имеет достаточно высокое качество по сравнению с другими видами энергии, поэтому именно она наиболее часто используется в устройствах автоматики.

Чтобы получить энергию более высокого качества, требуется пройти цепь превращений энергии, аналогичную пищевой цепи экосистемы. С каждым звеном этой цепи качество энергии будет повышаться, но только за счет уменьшения того количества энергии, которое удалось сконцентрировать в данном преобразовании. Например, мы можем получить электроэнергию, сжигая уголь. Но на каждые 500 ккал энергии, выделившейся при сжигании угля, мы сможем получить только 125 ккал электроэнергии. Остальная энергия будет рассеяна как плата за увеличение качества отдельной порции энергии. Это прямое следствие принципа Онзагера: можно добиться уменьшения энтропии (повышения качества энергии) в одном из процессов только за счет еще большего увеличения энтропии в других процессах, сопряженных с ним.

На формирование этих самых 500 ккал угля в свое время было затрачено около 1000000 ккал солнечной энергии. То есть солнечная энергия обладает сравнительно низким качеством. Чтобы солнечный свет выполнял ту же работу, которая производится сейчас углем или нефтью, нужно сконцентрировать ее в 2000 раз. Поэтому надежды человека на непосредственное использование солнечной энергии вряд ли оправданы. Это только живые организмы могут кропотливо, по крупинке концентрировать энергию. Но на это требуется время, что современный человек, привыкший к бешеным скоростям, позволить себе не может. Однако придется. Иначе биосфера не вынесет нашего присутствия. Именно поэтому Дж. Форрестер сказал, что «золотой век нашей цивилизации уже позади».

Таким образом, с каждым шагом вдоль трофической цепи возрастает степень управляющего воздействия организмов на природу. Внешне это выражается в усложнении и совершенствовании структуры организмов по ходу трофической цепи. В некоторых случаях это можно наблюдать в результате простого сравнения анатомии животных, например, птицы и гусеницы. Но попробуйте, например, сравнить анатомию волка и овцы! Особых различий, говорящих о более сложном и совершенном строении волка, найти не просто. Здесь определяющее значение имеет не столько особенности строения тела, сколько различия в сложности мозговых структур.

Другими словами, по мере повышения качества энергии с каждым трофическим уровнем, это качество реализуется не только в усложняющейся с каждым шагом физиологии организмов, но и во все более усложняющемся поведении, во все более развитой психике, вплоть до возникновения сознания у человека. Это еще раз говорит о сложности самого понятия энергии, которая в данном случае поворачивается к нам достаточно непривычной стороной, а именно, как мера хранения информации, расходуемой в процессах управления (согласно современным представлениям, информация есть мера концентрации энергии, то есть величина, обратная энтропии).

В настоящее время наиболее мощные управляющие функции в биосфере несет на себе человек. Следуя логике рассуждений, мы должны стоять в пищевой цепи после всех хищников. Однако мы вовсе не питаемся хищниками (разве что только некоторыми хищными рыбами). Мы едим мясо, но в основном это мясо растительноядных животных. Кроме того, большую долю в нашем рационе составляет растительная продукция. Но, тем не менее, именно мы наиболее сильно влияем на биосферу.

Если исходить из строения тела, то человек вообще не является хищником. В природе очень просто выяснить, какая роль возложена на какой-то конкретный вид. Природа дает каждому виду организмов все необходимое ему для жизни. Хищник должен убивать и питаться мясом. Для этого у него есть когти и клыки, острые зубы, приспособленные для отрывания кусков мяса, которые он не жует, а проглатывает, потому что зубы его не приспособлены для жевания, достаточно короткий пищевод, чтобы продукты разложения мяса как можно быстрее выводились из организма и т.п. У человека нет клыков, ему чуждо убийство (прежде, чем убить даже кролика или мышь в первый раз, человек должен преодолеть некий психологический барьер, то есть сломать свою природу). Более того, человеку противно даже видеть кровь или растерзанное тело, на чем построены многие фильмы ужасов. Эти реакции во многом напоминают реакции травоядных животных на вид крови и мяса. Они в панике бегут от запаха крови. Попробуйте съесть сырого мяса, которое так любят хищники, или выпить крови! Только немногие люди, полностью сломавшие свои инстинкты, способны на такое. Но человек научился обманывать себя. Он научился убивать издалека, не пачкая руки в крови. Многие видят мясо только в «приготовленном» виде. Это несколько притупляет внутреннее отторжение, которое особенно ярко выражено у детей, еще не евших никогда мяса.

Анатомическое строение человека свидетельствует, что природа выделила нам совсем другое место в пищевой сети. Мясо, в отличие от растительной пищи, переваривается в кислотной среде. Поэтому его, по сути дела, нельзя жевать, потому что, смачивая слюной, мы подвергаем мясо щелочной обработке. Но желудок в это время уже готовит для него кислотную среду. Как известно, щелочь и кислота нейтрализуют друг друга. Поэтому мясо плохо переваривается в желудке, особенно если мы едим его, например, с хлебом, для переваривания которого требуется совсем другой состав желудочных соков. Двигаясь по длинному кишечнику человека, мясо начинает, попросту говоря, портиться, обогащая нашу кровь токсинами, после чего мы удивляемся, почему нас иногда мучают беспричинные головные боли. В древнем мире существовала такая казнь: приговоренного к смерти человека кормили только мясом, не давая больше ничего. Для нормального функционирования кишечника человека обязательно нужна клетчатка. Кишечник приговоренного заполнялся фекалиями и человек умирал после нескольких недель такой жизни.

Многие рассуждают примерно так: «Да, природа не дала нам когтей и клыков, но она дала нам разум, чтобы мы сделали себе их заменители, например, нож, значит мы хищники». Это не совсем разумные доводы. Один из самых мощных деструкторов в природе это огонь. Мы тоже, благодаря мощи своего разума, используем огонь для кремации трупов, уничтожения мусора и т.п. Для разрушения отходов мы иногда используем и более наукоемкие способы разрушения веществ. То есть в данном случае мы выступаем в роли деструкторов, редуцентов, возвращая вещества в круговорот жизни. Но ведь это же не говорит о том, что природа создала нас редуцентами, или проще говоря падальщиками. Особенность человеческой цивилизации в том, что человек постепенно захватывает в природе все большее количество экологических ниш. Мы давно перестали довольствоваться выделенным нам природой местом в трофической системе биосферы. Мы довольно долго вытесняли хищников, обрекая их почти на поголовное истребление. Видя, что природные редуценты не справляются с антропогенным загрязнением природы, мы вынуждены осваивать и их экологические ниши. Мы уже всерьез говорим о синтезе искусственной пищи, то есть, по сути дела, претендуем на экологические ниши автотрофов. Мы ставим себя во все звенья механизмов гомеостаза. Прямое следствие этого - обеднение видового разнообразия жизни на планете. Но разнообразие повышает устойчивость биосферы. Значит, наша деятельность грозит биосфере потерей устойчивости, то есть гибелью. Неужели природа создала нас для того, чтобы мы ее погубили? К счастью, отличительной чертой всех экосистем, в том числе и биосферы, является то, что они не погибают, они заменяются новыми экосистемами, иногда очень обедненными, но все же живыми. Нам не удастся погубить жизнь на планете, но вот существенно изменить строение биосферы, как это произошло, например, в эпоху гибели динозавров, нам похоже под силу. Может в этом и состоит наша роль на планете? Может быть, мы проводим черту между эпохами?

Многие сторонники мясной пищи почему-то ссылаются на Библию, говоря, что сам Бог заповедал нам есть мясо. Нет там этого. «И сказал Бог: вот, Я даю вам всякую траву, сеющую семя, какая есть на всей земле, и всякое дерево, у которого плод древесный, сеющий семя, - вам сие будет в пищу» [Бытие, 1:29]. Анатомическое строение человека свидетельствует о том, что идеальной пищей для нас являются плоды и семена растений. Вот наше место в природе.

Почему же мы предпочитаем мясо? Мясо очень калорийно. В нем запасено больше свободной энергии, чем в растительной пище. Кроме того, в нем много белков, близких по составу тем белкам, которые требуются нам для строения нашего тела. То есть существенно облегчается процесс синтеза необходимых белков. Правда, если так рассуждать, то наиболее предпочтительным является мясо представителей своего же вида. То есть каннибализм (людоедство) имеет определенное логическое обоснование. Однако давно замечено, что племена каннибалов подвержены постепенному вырождению. По-видимому, это происходит потому, что полученные с пищей практически в готовом виде белки содержат в своей структуре определенные особенности, характерные только для того организма, который их синтезировал. Но в виду похожести строения белков эти особенности не распознаются, и когда такие белки используются при построении уже другого организма, в него тем самым проникает чужая генетическая информация, накопление которой в данном организме приводит его к болезням и гибели. Другое дело, когда белки синтезируются непосредственно в данном организме из простейших компонентов. Чем проще компоненты, тем больше энергии потребуется для синтеза необходимых белков, но тем точнее будет воспроизведена структура белка, закодированная в соответствующем фрагменте молекулы ДНК именно данного организма, а не какого-то другого.

Поэтому те, кто питается мясом, вынуждены параллельно потреблять достаточно грубую пищу, содержащую наиболее простые компоненты для синтеза белков. Этим самым чуждая информация в организме «разбавляется» и частично нейтрализуется свежей, «родной» информацией. Такие простые компоненты содержит, например, зелень (салат, петрушка, щавель и т.п.). В более сложных случаях, когда в организме уже идет явный разбаланс, требуется более тщательный подбор трав, которые в данном случае мы уже называем лекарственными. Не обязательно пользоваться травами, можно получить необходимые компоненты в более концентрированном виде в аптеке по рекомендации врача. Другими словами, мясная пища предполагает практически неизбежное введение в свой рацион лекарства.

Можно ли жить без лекарств? Можно. Для этого нужно прислушаться к природе и занять то место в трофической системе, которое она нам выделила. Овощи, фрукты, ягоды, семена - вот настоящая еда человека. В отличие от зелени, эта пища незначительно уступает по калорийности мясу, так как в своих плодах растения концентрируют большую энергию и самые отборные питательные вещества, потому что они должны питать новую поросль. В то же время структура растительных белков отличается от структуры животных белков, поэтому нашему организму приходится волей-неволей привлекать для синтеза требуемых белков свою собственную генетическую информацию, что защищает организм от накопления нераспознаваемых ошибок. Огромный избыток семян и плодов, создаваемых растениями по сравнению с тем, сколько их необходимо для поддержания богатства жизни, говорит о том, что природа заранее знает, что многие из этих плодов пойдут в пищу гетеротрофам. Поэтому потребление плодов вписано в алгоритмы природы и не является порочным, как это пытаются представить многие противники вегетарианства в ответ на призыв к милосердию по отношению к животным.

Получается, что в трофической сети, мы занимаем место растительноядных животных. Почему же наше управляющее воздействие на природу превышает воздействие хищников?

Дело в том, что энергетика человека в большей своей части вынесена за пределы человеческого тела в сферу его производственной деятельности. Мы продолжаем тенденцию к концентрации энергии, которая прослеживается в пищевых цепях, но для этого мы используем не свое тело, а плоды своих рук. Например, мы концентрируем массивы угля в одном месте, где непрерывно его сжигаем, концентрируя высвободившуюся тепловую энергию, преобразуя ее в электроэнергию, за счет которой мы упорядочиваем минеральное царство, придавая ему форму жилых домов, машин, произведений искусства и т.п. Более того, мы вносим в мир определенность, упорядочивая хаос непонимания, путем четкой фиксации в своем сознании законов природы, знание которых мы используем затем для еще большей концентрации энергии. Правда, за все это приходится платить еще большим количеством разрушения. Ведь правило десяти процентов никто не отменял (конкретное значение может варьироваться).

Мы действительно сильнее хищников, мы действительно «питаемся» хищниками и не только хищниками, но и месторождениями полезных ископаемых, массивами лесов, ландшафтами, морями (например, мы почти уже «выпили» Аральское море) и многим-многим другим. Но наши «органы пищеварения» находятся внутри тела цивилизации, а не внутри наших тел. Поэтому мы даже не заметили, как разрослись эти органы и «съели» уже практически всю природу. В этом главная особенность энергетики человека.

ПОВТОРИМ

  1. Энергия и энтропия.
  2. Рост энтропии - рост количества степеней свободы.
  3. Усложнение структуры системы - путь движется глобального эволюционного процесса.
  4. Формирование и типы трофических цепей.
  5. Автотрофы и гетеротрофы. Фитофаги и зоофаги.
  6. Передача энергии по трофическим уровням. Правило десяти процентов.
  7. Особенности энергетики человека.

Глава 9

ПРОДУКЦИЯ И РАСПАД БИООРГАНИКИ

За год фотосинтезирующими организмами Земли создается около 170 млрд. т живого вещества. За этот же период времени приблизительно такое же количество биоорганики разрушается, превращаясь в углекислый газ и воду. Часть синтезированной органики «уходит в геологию», поэтому баланс продукции и распада неточен. Похоже, что на протяжении всего периода существования жизни на Земле синтез органики преобладал над распадом. Если учесть непрерывное поступление углекислого газа во время извержения вулканов, то частичное захоронение органики способствует стабилизации количества вещества, вовлеченного в круговорот жизни. Однако геологические исследования свидетельствуют о том, что, несмотря на деятельность вулканов, содержание углекислого газа в атмосфере постоянно уменьшалось, а содержание кислорода возрастало.

Особенно большое преобладание синтеза над распадом отмечалось примерно 300 млн. лет назад. Именно в этот период образовались залежи горючих ископаемых, за счет которых существует современная человеческая цивилизация. За последние 60 млн. лет установилось достаточно стабильное равновесие в соотношении углекислого газа и кислорода в атмосфере. Это равновесие не лишено флуктуаций, вызванных колебанием вулканической активности, солнечной активности, внутренними процессами в биосфере и т.п. С колебаниями состава атмосферы, по-видимому, тесно связаны периоды похолодания и потепления на земле, которые напрямую зависят от парникового эффекта (как известно, парниковый эффект возникает благодаря присутствию в атмосфере углекислого газа, метана и т.п.).

Своеобразная уникальность нашего времени состоит в наличии процессов высвобождения накопленной за миллионы лет солнечной энергии, а также углерода, серы и других элементов, возникающих при сжигании органического топлива. Это происходит на фоне постепенного уменьшения синтеза биоорганики, вызванного обеднением биосферы. Количество углекислого газа в атмосфере неуклонно растет и на нас надвигается новое, уже антропогенное потепление.

Похоже, что мы являемся свидетелями преобладания распада биоорганики над ее синтезом, что для Земли вовсе не характерно. Такое наблюдается разве что на рубеже эпох, когда одна форма жизни сменяется другой, например, на смену динозавров приходят теплокровные. Какую черту проводит человек в биосфере?

В этой главе мы более подробно рассмотрим некоторые вопросы, касающиеся накопления и разрушения биоорганики. Вряд ли это однозначно укажет нам пути решения проблем, стоящих перед человеком. Однако полученные знания, я думаю, помогут нам трезво взглянуть на ситуацию и сделать полезные выводы.

9.1. Концепция продуктивности

Важнейшим свойством организмов и экосистем в целом является их способность создавать и наращивать органическое вещество, которое называют продукцией. Все живое вещество, содержащееся в экосистеме вне зависимости от того, за какой период оно накоплено, называется биомассой ([Б] = т/га). Образование продукции в единицу времени на единице площади или в единице объема, выраженное в единицах массы, называется продуктивностью экосистем (например, [Пр] = т/(га.год)). Биомассу и продуктивность экосистемы оценивают в сухом весе. Следует отметить, что для сравнения отдельных экосистем можно выражать биомассу и продуктивность через энергетический эквивалент, то есть [Б] = ккал/га, [Пр] = ккал/(га.год).

Под первичной продуктивностью экосистемы понимается скорость, с которой солнечная энергия усваивается продуцентами, в основном зелеными растениями, накапливаясь в форме органических веществ. То есть с химической точки зрения процесс фотосинтеза состоит именно в связывании энергии солнечного света в биоорганике. В качестве исходного строительного материала используется обычно углекислый газ и вода.

Химическая реакция фотосинтеза зеленых растений записывается следующим образом:

Здесь - это богатая энергией молекула глюкозы.

Более схематично и эту реакцию можно расписать так:

где - схематичное обозначение углеводов, являющихся главным продуктом подобных реакций. Углеводы служат основным источником энергии для всех жизненно важных процессов на всем протяжении пищевой цепи. Эта реакция проходит в два этапа:

окисление ;

восстановление .

При бактериальном фотосинтезе в качестве восстановителя вместо может использоваться, например, сероводород , тогда одним из продуктов фотосинтеза является не кислород, а свободная сера:

Возможны и другие реакции фотосинтеза.

Первичная продукция может создаваться также хемосинтезирующими бактериями. Эти реакции могут идти в полной темноте, так как в качестве источника энергии выступает не солнечный свет, а реакции окисления простых неорганических соединений, например сульфида или аммиака. Но доля такой продукции в биосфере Земли очень мала.

Следует различать валовую первичную продуктивность, под которой понимают общую скорость фотосинтеза, и чистую первичную продуктивность, которая отличается от валовой на величину энергии, затрачиваемой растениями в единицу времени на поддержание собственных процессов жизнедеятельности, то есть на дыхание (к дыханию в данном случае кроме собственно дыхания относят опадение листьев, сучьев, коры и т.п.). Именно чистая первичная продукция доступна для питания консументам (животным). Однако они потребляют не всю эту продукцию, а только ее часть. Оставшуюся же часть накопленного в единицу времени органического вещества, не потребленную консументами, называют чистой продукцией сообщества.

Скорость накопления энергии консументами называется вторичной продуктивностью. Поскольку консументы лишь используют ранее созданные автотрофами питательные вещества, вторичная продукция по смыслу является не столько продукцией, сколько ассимиляцией.

Оценки продуктивности особенно важны для сельского хозяйства. На примере возделывания сои, можно посмотреть каким образом распределяется первичная валовая продукция урожая сои. Около 25 % расходуется на дыхание, 5% потребляются симбиотическими микроорганизмами, 5 % потребляют насекомые-вредители (с учетом использования пестицидов), 32 % выносится из данной экосистемы человеком (собственно урожай бобов сои), оставшиеся 33 % в стеблях, листьях и корнях разлагаются в почве и подстилке. По отношению к экосистеме урожай, собранный человеком, является утечкой энергии, обедняющей экосистему.

Столь высокое отношение чистого урожая к валовому продукту достигается только за счет дополнительных вложений энергии, затрачиваемой на обработку земли, орошение, удобрение, селекцию, борьбу с вредителями и т.п. Всякое дополнительное вложение энергии, увеличивающее продуктивность экосистемы, называется энергетической субсидией.

Энергетические субсидии не обязательно организуются человеком. Самый простой пример природной энергетической субсидии является ветер. Ранее уже говорилось, что на приведение в движение круговорота воды тратится около одной трети солнечной энергии, поступающей на Землю. Неравномерный прогрев поверхности планеты приводит к перемещению воздушных масс, что обеспечивает перенос влаги с океана на континенты. Это один из путей дополнительной откачки энергии из солнечного света помимо фотосинтеза. Аналогичные энергетические субсидии может организовать и человек путем искусственного орошения.

Природные энергетические субсидии от энергии приливов получают прибрежные зоны океана. Приливы обеспечивают перенос минеральных веществ, пищи и отходов. В результате некоторые прибрежные зоны характеризуются такой же валовой продуктивностью, как и обрабатываемые человеком поля.

Возможность получать высокие урожаи, совершенно немыслимые еще 100 лет назад, человек обеспечил только за счет энергетических субсидий в искусственно созданные им экосистемы (агроценозы). При этом он селекционировал новые высокоурожайные сорта сельскохозяйственных культур, выращивание которых оправдано только при наличии таких субсидий. Это, кстати, является причиной некоторых неудач при попытках возделывать такие сорта в бедных странах. В США, например, не каждую калорию полученной пищи вкладывается примерно 10 калорий энергии топлива. Для удвоения урожая дополнительные поступления энергии необходимо увеличить где-то в 10 раз. Могут ли такое себе позволить бедные страны, где до сих пор в сельском хозяйстве преобладает немеханизированный труд?

Нужно отметить, что чрезмерные энергетические субсидии могут понизить продуктивность экосистемы. Например, распашка земель в северных широтах является необходимым компонентом сельского хозяйства, в тропических зонах это приводит к быстрому выщелачиванию почвы и потере в ней органического вещества. Проточная вода может способствовать росту продуктивности экосистемы ручья по сравнению с экосистемой в стоячих водах, но слишком быстрое течение может оказаться разрушительным.

Оценивая ситуацию в мире, надо сказать, что ввиду отсутствия достаточных взвешенных энергетических субсидий в развивающихся странах урожаи растут медленнее, чем численность населения. В результате с каждым годом растет число стран, которые вынуждены ввозить продукты питания. Таким образом, без энергетических субсидий в производство пищи человеческая цивилизация существовать уже не в состоянии. И с каждым годом эта ситуация будет усугубляться. При этом где-то впереди опять маячит призрак тепловой катастрофы, избежать которой нам, по-видимому, вряд ли удастся.

Все искусственные экосистемы характеризуются тем, что определенное количество продукции изымается из экосистемы человеком. Если не возмещать эти потери в форме энергетических субсидий, то рано или поздно экосистема деградирует. Например, на полях структура почвы может быть разрушена настолько, что потребуются сотни лет, чтобы на этих землях без участия человека заново возродилась нормальная жизнь. В отличие от агроценозов в естественных экосистемах существует равновесие между производством биомассы и ее разложением. Продукты разложения вновь поступают в круговорот, обеспечивая длительное существование данной экосистемы (такая экосистема, как биогеоценоз, считается теоретически бессмертной).

Биомасса и продуктивность экосистем определят не только количество урожая, которое мы можем снять с данной экосистемы. От этих показателей зависит средообразующая и средостабилизирующая роль экосистем. Например, от этих параметров экосистем напрямую зависит углекислотный баланс в атмосфере. Так при образовании 1т растительной продукции поглощается 1,5…1,8 т углекислого газа с выделением 1,2…1,4 т кислорода. От этих параметров зависит также пылеосаждающая способность леса. Суммарная поверхность листьев в лесу в 10…15 раз превышает занимаемую им площадь, что позволяет осенью осаждать на землю до 50…60 т пыли с гектара. Концентрационная функция живого вещества позволяет очищать атмосферу от вредных химических агентов. Кроме того, с объемом биомассы связана водорегулирующая функция леса и т.п.

9.2. Продуктивность различных экосистем биосферы

Еще совсем недавно надежды человечества в плане решения продовольственной проблемы в связи с ростом народонаселения связывались с океаном, занимающим около 70 % поверхности Земли. Считалось, что море где-то раза в два плодороднее, чем суша. Там больше питательных веществ, растениям не нужны твердые ткани, чтобы тянуться к солнцу, и разветвленные корни, чтобы тянуться к влаге, более стабилен температурный режим и т.д. В океане очень велика скорость обновления живого вещества, так что растительность может давать до пятидесяти поколений в течение года. Поэтому, например, киты вырастают и становятся зрелыми не за 30…40 лет, как слоны, а всего за два года.

Казалось бы все логично. Однако более детальное исследование морских просторов, проводившееся 1964…1974 годах в рамках Международной биологической программы, показало, что море существенно уступает суше по средней продуктивности. Несмотря на свои масштабы, за год море дает всего 55 млрд. тонн чистой первичной продукции, в то время как суша дает 115 млрд. тонн в год.

Действительно некоторые зоны океана, особенно тропические прибрежные (шельфовые) зоны, особенно в местах впадения крупных рек (эстуарии), а также коралловые рифы и заросли водорослей отличаются наиболее высокой продуктивностью. Чистая первичная продуктивность эстуарий составляет 200…3500 в среднем 1500 в год, продуктивность коралловых рифов и зарослей водорослей 500…4000 в среднем 2500 в год. Такой же продуктивностью на суше обладают только влажные тропические и субтропические вечнозеленые леса (1000…3500 в среднем 2200 в год). Это сравнимо с продуктивностью хорошо субсидируемых агроценозов, которая может достигать 3500 в год (продуктивность несубсидируемых и малосубсидируемых агроценозров может опускаться до 100 в год, в среднем эта величина составляет 650 в год). Однако суммарная площадь эстуарий, рифов и зарослей водорослей очень мала и общая чистая продуктивность их составляет около 3,7 млрд. т в год, в то время, как тропические и субтропические леса дают порядка 37,4 млрд. т в год чистой продукции. Все остальные прибрежные воды характеризуются более низкими показателями первичной чистой продуктивности (200…600 в среднем 360 в год). Однако в районах апвеллинга (плодородные районы океана с естественным притоком питательных веществ вследствие восходящего движения водных масс от дна к поверхности, вызванного, например, океаническими течениями) этот показатель возрастает (400…1000 в среднем 500 в год).

Что же касается просторов открытого океана, то эти экосистемы характеризуются крайне низкой продуктивностью порядка 2…400 в среднем 125 в год. Это почти в 2 раза ниже средней валовой первичной продуктивности по всей биосфере, которая составляет 333 в год. Более низкий показатель 10…250 в среднем 90 в год характерен только для пустынь и полупустынь. Даже тундре продуктивность несколько выше (10…400 в среднем 140 в год). Для сравнения продуктивность лесов умеренной зоны составляет 600…2500 в среднем 1200 в год, тайги – 400…2000 в среднем 800 в год.

Столь низкая продуктивность океана объясняется тем, что основная масса воды океана очень бедна жизнью. Все продуценты обитают в верхнем слое воды. В прибрежных более плодородных зонах этот слой не превышает 30 м, в более бедных водах открытого океана зона продуцентов может простираться вниз на 100 м. Это связано с тем, что пик фотосинтеза приходится на самые верхние слои воды и его интенсивность быстро убывает с увеличением глубины. Основным продуцентом в море является фитопланктон, то есть мелкие водоросли, плавающие в толще воды, придающие ей зеленоватый цвет. Здесь же в богатых фитопланктоном поверхностных областях обитает и основная масса животных, для которых фитопланктон является основным поставщиком первичной продукции. Все эти организмы образуют так называемую поверхностную или планктонную пленку жизни.

Помимо поверхностной, в океане принято выделять также донную или бентосную пленку жизни, существующую в основном за счет оседания на дно отмершего вещества из поверхностной пленки. Ввиду невозможности фотосинтеза на больших глубинах эта пленка населена бентосом, то есть донными формами жизни, являющимися в основном гетеротрофами. Возможны также и другие типы глубоководных придонных экосистем, существующие за счет продукции хемосинтеза, связывающего энергию земных недр. Здесь помимо гетеротрофов имеются и автотрофы. Но эти экосистемы пока еще очень мало изучены.

Аналогичные пленки или сгущения жизни можно выделить и на суше. Это в первую очередь приземная пленка жизни, заключенная между поверхностью почвы и верхней границей растительного покрова. Это, собственно, та жизнь, с которой мы сталкиваемся ежедневно. Более скрыта от нас вторая, почвенная пленка жизни, населенная корнями растений, а также кротами, дождевыми червями, личинками насекомых и т.п., но основное население этой пленки составляют микроорганизмы. Несмотря на небольшую толщину, которая определяется в основном толщиной почвенного слоя, эта пленка характеризуется большим разнообразием жизни, чем приземная пленка. Достаточно сказать, что на 1 почвы можно насчитать миллионы насекомых, сотни дождевых червей, сотни миллионов микроорганизмов.

Впервые эти пленки, как наиболее важные очаги концентрации жизни, выделил В.И.Вернадский. Подобная пленочная организации жизни вовсе не случайна. Для биосферы вообще концентрация жизни подчиняется так называемому «краевому эффекту»: наибольшая концентрация жизни приурочена обычно к границам сред жизни. Это может быть поверхность океана или почвы, дно моря, а также и другие границы самого разного рода, например, опушка леса, пойма реки, берег моря и т.п. Общее название подобного рода границ - экотоны. Чем резче изменяется внешняя среда, тем более отчетливы границы сообществ по обе стороны экотона. Сообщества экотона содержат помимо организмов контактирующих сообществ еще и организмы, характерные только для экотона, которые за пределами экотона не встречаются. Дело в том, что многим видам организмов на разных стадиях жизненного цикла требуются сильно различающиеся условия, что наиболее удачно реализуется именно в экотонах. Например, многие личинки насекомых развиваются в воде, в то время как взрослые особи живут на суше; некоторым птицам нужны деревья для гнездовий и луга для питания и т.п. Поэтому зачастую число видов и плотность популяций в экотоне выше, чем в контактирующих сообществах. Особенно ярко краевой эффект проявляется на границах трех и более сред, например, дельта реки (река - море - суша - воздух).

Человек всегда стремился селиться по берегам рек и морей. Если рядом был лес, то он стремился сохранить вокруг себя сообщество опушек, сокращая лес до небольших участков, перемежающихся с лугами и сельскохозяйственными угодьями. Это давало ему возможность пользоваться благами всех этих сообществ. Правда, всему есть предел. Например, чрезмерное увеличение периметра леса за счет увеличения количества опушек может привести к снижению продуктивности леса.

Среди наиболее типичных природных локальных сгущений жизни в океане, вызванных краевым эффектом, можно выделить следующие:

1. Прибрежные зоны океана.

Основная масса живого вещества в море сосредоточена около берега, где благоприятны условия питания. Именно в области континентального шельфа сосредоточено все крупное рыболовство мира. В прибрежной зоне можно выделить области литорали, то есть узкую зону прилива с периодически меняющейся средой. Особенно продуктивными областями прибрежной зоны являются эстуарии - системы, образуемые в местах впадения рек, протяженность которых тем значительней, чем больше вынос питательных веществ с суши.

2. Апвеллинговые зоны.

Процесс апвеллинга состоит в поднятии на поверхность холодной глубинной воды, богатой накопленными хорошо перемешанными питательными веществами. Обычно это происходит там, где ветры постоянно отгоняют поверхностную воду от крутого берегового склона. При этом в океане формируются особого рода циклонические течения, омывающие берега континентов. Эти зоны наиболее интенсивно используются для промысла рыбы. Интересно, что прибрежные районы суши из-за преобладания ветров, дующих в сторону моря и уносящих влагу с суши, представляют собой зачастую пустыни.

3. Коралловые рифы.

Система кораллового рифа формируется на основе некоторых водорослей и кишечнополостных животных, эволюционировавших совместно друг с другом. В результате возникает эффективный механизм круговорота элементов питания, позволяющий всей системе поддерживать очень высокую продуктивность в водах со сравнительно низким содержанием этих элементов. Обычно они формируются в районах с благоприятным температурным режимом. Они характеризуются огромным видовым разнообразием и богатством разного рода симбиозов, благодаря чему в них очень высок коэффициент эмерджентности, что и способствует одному из самых высоких показателей продуктивности.

4. Саргассовые сгущения.

Создаются большими массами плавающих водорослей, чаще всего саргассовых (в Саргассовом море) или филлофорных (в Черном море).

5. Рифтовые глубоководные сгущения.

Эти сгущения открыты только в 70-х годах. Они существуют в полной темноте в местах выхода горячей воды из разломов дна (рифтов), богатой минеральными солями и серой. Основным поставщиком первичной продукции для этих экосистем являются хемосинтезирующие серобактерии, высвобождающие энергию из соединений серы. Крупные многоклеточные организмы либо питаются этими бактериями, либо эти бактерии обитают у них в кишечнике, образуя уникальный симбиоз, характерный, по-видимому, для древнейшей жизни, развивавшейся за счет собственной энергии Земли. Об этой жизни мы знаем пока еще очень мало. Однако накопилось уже достаточно разного рода сенсационных сообщений, которые требуют тщательной проверки, о возможном наличии в этих экосистемах высоорганизованных форм жизни.

На суше также можно выделить ряд локальных сгущений жизни, связанных с краевым эффектом:

1. Экосистемы тропических и субтропических берегов морей.

Их высокая продуктивность связана с оптимальным достаточно стабильным температурным режимом и высокой влажностью. Особенно богаты эти экосистемы в случае, если от континентальной области их отделяют горы, не выпускающие тучи за пределы этих зон.

2. Экосистемы пойм рек, периодически заливаемые во время разливов.

Эти поймы хорошо удобряются илом, а вместе с ним органическими и биогенными веществами. Особенно продуктивны дельты рек, в которых из-за приносимого со всего водосборного бассейна вещества, в том числе и питательного, образуются целые острова.

3. Экосистемы небольших прудов и озер.

Особенно продуктивен пруд, расположенный, например, на краю лесной поляны. Наличие водоема способствует стабилизации баланса грунтовых вод в окрестности водоема, смягчает микроклимат, благотворно влияя на окружающую растительность. В то же время лес снабжает пруд питательными веществами (опавшие листья, сучья и т.п.). Поляна же обеспечивает наиболее благоприятные условия для существования животных, главным образом птиц и насекомых, личинки которых развиваются в пруду. Приходящие на водопой крупные животные удобряют поляну своими экскрементами.

Особо следует отметить экосистемы влажных тропических и субтропических лесов, расположенных в континентальной зоне. Хотя краевой эффект здесь проследить труднее, тем не менее они обладают продуктивностью, практически не уступающей продуктивности кораллового рифа. Секрет здесь тот же, что и в системах коралловых рифов, а именно: высокий коэффициент эмерджентности ввиду большого количества симбиотических связей. Другими словами, тропический лес представляет собой отлаженный организм, способный существовать даже в условиях бедности свежих поступлений питательных веществ, жизнь которого мало зависит от «превратностей» внешней среды. Как в любом живом организме, в нем организованы внутренние круговороты веществ, уникальные цепи преобразования и передачи энергии. Если однажды разрушить все эти взаимосвязи, то такая система не сможет заново воссоздать себя, даже если мы предоставим для этого все необходимые компоненты. Так же как невозможно создать живую клетку, собрав воедино все то, из чего она должна состоять, так же как невозможно осуществить опыт доктора Франкенштейнга (создать живого человека из фрагментов различных трупов).

9.3. Экологические пирамиды

Трофическую структуру экосистемы можно изобразить в виде разного рода экологических пирамид (рис.9.1).

Рис.9.1

Наиболее показательна пирамида энергии, которая наглядно иллюстрирует «правило десяти процентов». Она строится из прямоугольников, поставленных друг на друга. Длина основания каждого прямоугольника в определенном масштабе соответствует величине потока энергии на разных уровнях трофической системы, точнее, той части энергетического потока, которая идет на формирование биомассы данного уровня, то есть на продукцию. Поэтому пирамида энергии, построенная в единицах измерения продуктивности, называется пирамидой продуктивности.

Основанием пирамиды служит прямоугольник, соответствующий уровню продуцентов.

Важность пирамиды энергии определяется тем фактом, что число и масса организмов на данном трофическом уровне зависит не от количества биомассы (накопленной энергии) на предыдущем уровне, а от скорости продуцирования этой биомассы, являющейся пищей для данного уровня. Пирамида энергии (продуктивности) как раз и отражает картину скоростей прохождения массы пищи через пищевую цепь.

Как уже говорилось, из всей энергии, потребляемой организмами данного трофического уровня, в среднем только 10 % накапливается в биомассе, то есть идет на создание продукции данного уровня и становится доступной для консументов следующего трофического уровня. Из этой энергии опять же только около 10 % расходуется на вторичную продукцию. Поэтому продуктивность каждого следующего уровня где-то в 10 раз меньше продуктивности предыдущего уровня. Это напрямую вытекает из второго закона термодинамики и принципа Онзагера: повысить качество определенной порции энергии можно только путем соответствующего преобразования гораздо большего количества менее качественной энергии.

Поэтому пирамида энергии (продуктивности) любой экосистемы всегда имеет правильную форму, то есть подчиняется правилу: на каждом последующем уровне пищевой цепи продуктивность меньше, чем на предыдущем. Более того, суммарное количество вторичной продукции, образующейся на разных трофических уровнях, меньше первичной продукции данной экосистемы.

Пирамида биомассы строится аналогичным образом. Она характеризует общую массу живого вещества в сухом весе на каждом трофическом уровне экосистемы. Такая пирамида хорошо характеризует трофическую структуру экосистемы для оценок урожаев на корню. Для разных экосистем эта пирамида может выглядеть по-разному. Пирамиды биомассы экосистем суши обычно характеризуются такой же формой, как и пирамида энергии. То есть количество биомассы на каждом последующем уровне такой экосистемы как правило меньше, чем на предыдущем уровне. Но это правило уже не является абсолютным. Так для экосистем моря как правило характерна перевернутая пирамида биомассы, основание которой меньше, чем последующие ступени. Так общая биомасса всех потребителей фитопланктона может быть существенно выше, чем масса самого фитопланктона, совокупная масса крупных рыб может оказаться меньше массы мелких рыб. Такая ситуация вообще характерна для экосистем с очень мелкими продуцентами и крупными консументами. Причина этого - резкие различия в продолжительности жизни и продуктивности организмов на разных уровнях. Например, время жизни фитопланктона оценивается несколькими днями или даже часами, в то время как крупные животные могут десятилетиями накапливать массу. В то же время фитопланктон имеет большую продуктивность, но вся продукция достаточно быстро выедается, так что урожай на корню фитопланктона в каждый момент времени оказывается сравнительно малым. При всем этом через трофический уровень продуцентов проходить гораздо больший поток энергии, чем через уровни консументов. То есть пирамида энергии имеет обычную форму.

Численность организмов на каждом трофическом уровне экосистемы также можно изобразить в виде пирамиды численностей. Однако такая пирамида не очень показательна. Ввиду существенного разброса численности организмов на разных уровнях ее трудно изобразить в одном масштабе. Форма ее может быть самая различная. Например, для морских экосистем основание пирамиды должно отражать огромное количество организмов фитопланктона. Луговые продуценты (травы) также достаточно многочисленны, по крайней мере в сравнении с количеством продуцентов леса, представленных главным образом деревьями и кустарниками. Основной недостаток пирамиды численностей в том, что на одном трофическом уровне могут находиться особи, существенно различающиеся по размерам. Однако в любом случае эта пирамида свидетельствует о том, что количество организмов уменьшается от основания к вершине. Правда, это правило не относится к детритным пищевым цепям, то есть к редуцентам, представленным главным образом микроорганизмами.

9.4. Разложение живого вещества

Разложение есть результат биотических (связанных с деятельностью живых организмов), так и абиотических (непосредственно с жизнью несвязанных) процессов. Типичным абиотическим процессом разложения биоорганики является пожар. Пожар - это важный, а иногда и необходимый процесс в экосистемах, где организмы-деструкторы не успевают возвращать вещество в круговорот жизни. Например, сильные (верховые) лесные пожары оставляют после себя удобренную почву, на которой через сравнительно короткое время разовьется более молодой лес. К абиотическим деструкторам можно отнести также процессы замораживания и оттаивания, трение об воду и т.п.

Однако главную роль в процессах разложения играют живые существа. Все консументы, начиная с фитофагов и кончая сапротрофами, участвуют в процессе измельчения и переваривания пищи. То есть процесс разложения происходит в основном благодаря преобразованию энергии внутри организмов и передаче ее от одного организма к другому вдоль пищевой цепи. Этот процесс необходим для жизни, и в случае его прекращения вскоре все биогенные элементы оказались бы сосредоточенными в мертвых остатках, после чего жизнь прекратилась бы. В природе процесс разрушения примерно уравновешивает первичную продуктивность.

Основную работу в процессах распада биоорганики выполняют сапротрофы, в основном грибы и бактерии. Однако присутствие животных, особенно мелких (короеды, улитки, жуки-могильщики и т.п.) существенно ускоряет процесс разложения. Например, животные-детритофаги не могут переварить целлюлозу, но они способны измельчить ее, увеличивая площадь, доступную для воздействия микроорганизмов. Кроме того, они выводят в среду белки, стимулирующие рост и активность микроорганизмов. Одновременно они выедают часть бактерий и грибов, то есть участвуют в регулировании всего детритного комплекса. Процесс разложения довольно сложен и детально отлажен (так и хочется сказать «продуман»). Ни один вид сапротрофов не может самостоятельно осуществить разложение отмерших остатков. Полное разрушение осуществляется целым комплексом разрушителей, которые последовательно сменяют друг друга, подготавливая среду друг для друга.

В процессе разложения можно выделить три стадии:

  • размельчение детрита, сопровождающееся высвобождением растворимого органического вещества;
  • сравнительно быстрое образование гумуса и высвобождение сапротрофами дополнительного количества растворимых органических веществ:
  • более медленная минерализация гумуса.

Гумус с химической точки зрения представляет собой комплекс продуктов конденсации ароматических соединений (фенолов) с продуктами распада белков и полисахаридов. Детрит (продукты распада отмершей органики), гумус и другой органический материал играют важную роль при образовании почв. Они придают почве структуру, благоприятную для роста растений, облегчают усвоение растениями питательных веществ.

Минерализация органических веществ, в результате чего растения снабжаются минеральным сырьем, является не единственной функцией сапротрофов. Как уже говорилось, они могут служить пищей для некоторых животных (например, грибы, собираемые нами в лесу). Кроме того, грибы и микробы, несмотря на то, что мы считаем их примитивными, быстро приспосабливаясь к меняющимся условиям, обеспечивают «тонкую настройку», поддерживающую стабильность экосистемы. Они выделяют в окружающую среду некоторые вещества (энзимы), оказывающие управляющее действие на всю экосистему, стимулируя или подавляя (ингибируя) активность отдельных подсистем. Это в первую очередь «наружные гормоны» или «гормоны среды», например пенициллин, выделяемый плесневым грибом, подавляющий деятельность бактерий, а также разного рода витамины, стимулирующие их рост. Таким образом, благодаря сапротрофам, почва, как и живая ткань, обладает богатым набором ферментов и проявляет каталитическую активность. В ней протекают сложнейшие процессы обмена веществ и энергии, идет непрерывное производство определенных органических веществ и переход сложных соединений в более простые, доступные растениям. В почве, как в любом живом организме, все сложнейшие процессы происходят с явными признаками упорядоченности. Все это позволяет рассматривать почву со всеми населяющими ее микро- и макроорганизмами, как единое биологическое тело, то есть живое существо.

Для биосферы важное значение имеет некоторое отставание разложения продукции автотрофного уровня от процессов ее создания, благодаря чему стабилизируется круговорот биогенных веществ и состав атмосферы (соотношение и ), а также происходит накопление горючих ископаемых. Поэтому крайнюю озабоченность вызывает деятельность людей, которые ускоряют процессы разложения сжигая горючие ископаемые, разрушая структуру почвы, уничтожая леса. В результате количество углекислого газа в атмосфере неуклонно возрастает, что заставляет нас беспокоиться по поводу грозящего планете потепления. В отличие от колебаний средней температуры планеты в прошлые эпохи, это потепление развивается стремительными темпами. Мы уже подняли среднюю температуру планеты где-то на 2 градуса по сравнению с доиндустриальной эпохой. Еще на 2 градуса выше температура будет уже в 2050 году, если к тому времени цивилизация еще будет существовать в современном виде. Этот процесс рушит многие механизмы устойчивости экосистем. Невооруженным глазом видно, как природа уступает стремительному натиску человека. Сможем ли мы сами выжить в стерильном мире? Конечно же, нет. Жизнь процветает благодаря разнообразию и тесному переплетению различных форм.

Может быть, поэтому природа активизирует против нас мир сапротрофов, поражая нас все новыми болезнями. Ведь сапротрофы пожирают не только отмершие организмы, но и ослабленные. А ослабление наших организмов вызвано тем образом жизни, который дисгармонирует с природой. Микроорганизмы очень динамичны и чувствительны к малейшим изменениям среды, а может, и к изменениям биополя планеты, исполняя роль гормонов, управляющих всеми процессами в биосфере. В определенном смысле именно они являются «царями природы», корректируя численности популяций макроорганизмов. Не это ли «голос планеты», все более дающий о себе знать в ответ на наше давление на нее?

ПОВТОРИМ

  1. Дать понятие продуктивности экосистемы: первичной и вторичной, валовой и чистой.
  2. Роль энергетических субсидией.
  3. Сравнительная продуктивность различных экосистем биосферы.
  4. Примеры наибольшей концентрации жизни на границах сред.
  5. Экологические пирамиды.
  6. Роль биотических и абиотических процессов в разложение живого вещества.
  7. Стадии разложения живого вещества.

Глава 10

СРЕДА ОБИТАНИЯ

Влияет ли планета на жизнь в биосфере посредством планетарного биополя или нет - вопрос спорный. Однако ни у кого не вызывает сомнения то, что сама среда, в которой существуют организмы, оказывает на них регулирующее действие. Природные условия в различных районах планеты могут существенно различаться. В то же время жизнь обладает удивительным свойством адаптироваться к изменениям окружающей среды. И эти адаптации даже в удаленных и не связанных друг с другом районах, но с аналогичными условиями среды оказываются удивительно похожими, в результате чего там развиваются похожие формы жизни. Тем самым планета, а также Солнце, Луна, другие планеты и вообще весь космос как бы направляют эволюционные процессы в биосфере. Сама структура планеты, ее ландшафты, ее место в солнечной системе и во Вселенной в целом в совокупности с пройденным историческим путем (памятью) несут в себе в “закодированном” виде информацию о возможных формах жизни в этих условиях. Именно этот код и пытается разгадать наука в поисках закономерностей глобального эволюционного процесса. Может быть, именно это является своего рода генетическая программой, определяющей эволюцию планеты в данный момент времени. Тем более, что в самих этих внешних для жизни факторах заложена определенная фрактальная повторяемость (как и в структуре ДНК), в основе которой лежат законы Вселенной.

Пытаясь понять непонятное, человек жаждет чуда. Для решения таинственных загадок он изобретает полумистические гипотезы, которые, кстати сказать, не обязательно являются заблуждениями, достаточно вспомнить парадоксы квантовой механики или теории относительности. Однако многие чудеса, действительно существуя в реальности, имеют на удивление простые механизмы. Например, вавилонское чудо, когда Бог смешал языки людей, после чего они перестали понимать друг друга, мы наблюдаем сейчас в науке, где огромное количество узких отраслей знания создали свою уникальные терминологии, облегчающие общение между специалистами в данной отрасли, но затрудняющие межотраслевое общение. Может быть, то же самое произошло и с древними архитекторами, землемерами, каменщиками, столярами и др., совместно участвующими в построении грандиозного сооружения, переставших понимать друг друга, а потому перессорившимися и разбежавшимися в разные стороны, дав начало отдельным народам. Ведь не случайно разные народы имеют свои характерные особенности: есть народы-торговцы, народы-строители, народы-землепашцы, народы-воины, народы-мыслители.

Возможно, теория биополя также найдет когда-нибудь простое и ясное толкование, после чего обнаружится простота действующих при этом механизмов. На мой взгляд, достаточно большую роль в этом толковании будет играть концепция среды обитания.

10.1. Понятие среды обитания

Под средой обитания понимают совокупность внешних природных условий и явлений, в которые погружены живые организмы, и с которыми эти организмы находятся в постоянном взаимодействии.

В биоэкологии речь обычно идет о природной среде, не измененной человеком. В прикладной (социальной) экологии говорят об окружающей среде, так или иначе опосредованной человеком.

Отдельные элементы среды обитания, на которые организмы реагируют приспособительными реакциями (адаптациями), называются экологическими факторами или факторами среды. Среди факторов среды выделяют обычно три группы факторов: абиотические, биотические и антропогенные.

1. Абиотическими факторами среды называются условия, напрямую не связанные с жизнедеятельностью организмов. К числу наиболее важных абиотических факторов можно отнести температуру, свет, воду, состав атмосферных газов, структуру почвы, состав биогенных элементов в ней, рельеф местности и т.п. Эти факторы могут воздействовать на организмы как непосредственно, например свет или тепло, так и косвенно, например рельеф местности, обусловливающий действие прямых факторов, света , ветра, влаги и пр. Возможно, среди абиотических факторов присутствуют и такие , о которых мы пока даже не догадываемся. Так, например, мы совсем недавно открыли влияние изменений солнечной активности на процессы в биосфере.

2. Биотическими факторами среды называется совокупность влияний одних организмов на другие. Живые существа могут служить источником пищи для других организмов, являться средой их обитания, способствовать их размножению и т.п. Действие биотических факторов может быть не только непосредственным, но и косвенным, выражаясь в корректировке абиотических факторов, например, изменение состава почвы, микроклимата под пологом леса и т.п.

3. Антропогенными факторами среды называется совокупность влияний человека на живые организмы. Это влияние также может быть прямым, например, когда человек вырубает лес или отстреливает животных, или косвенным, проявляющимся в воздействии человека на абиотические и биотические факторы среды, например, изменение состава атмосферы, почвы, гидросферы, или изменение структуры экосистем.

Существование любого организма зависит от целого комплекса факторов. При этом удается выделить ряд закономерностей, общих для самых различных частных случаев.

Так изучая действие факторов среды на рост растений, в 1840 г. Ю.Либих установил, что урожайность различных культур определяется не теми веществами, которые присутствуют в относительном изобилии в окружающей среде, например, углекислый газ, или вода, а элементами, жизненно важными, но присутствующими в среде в малых количествах, например, цинк. Так появился один из важнейших законов экологии, закон минимума Либиха: рост растений зависит от того элемента питания, который присутствует в минимальном количестве.

Позднее закон минимума был расширен на все живые организмы и все факторы. В современной трактовке этот закон звучит следующим образом: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. То есть жизненные возможности организма лимитируются экологическими факторами, количество и качество которых близко к необходимому для данного организма минимуму. Дальнейшее снижение этих факторов ведет к гибели организма.

Однако не только снижение интенсивности действия какого-либо фактора, но и превышение сверх допустимых пределов может оказывать лимитирующее воздействие на организмы. Например, эффективность фотосинтеза, как известно, определяется количеством света, падающего на поверхность зеленого листа. Излишнее затенение может привести к подавлению жизнедеятельности растения и даже к его гибели. Это способствует возникновению теневыносливых видов растений. Однако, если увеличить поток света, например для получения большего урожая теневыносливых растений, то эффективность фотосинтеза у них падает. Оптимальные пределы величины светового потока имеют практически все растения.

Поэтому вместо закона минимума в настоящее время чаще говорят о законе лимитирующих (ограничивающих) факторов: фактор, находящийся в недостатке или избытке, отрицательно влияет на организмы даже в случае оптимальных сочетаний других факторов. В соответствии с этим законом для каждого фактора по отношению к конкретному виду организмов можно вычертить диаграмму степени благоприятности данного фактора на организмы в зависимости от силы действия этого фактора. Почти всегда эта диаграмма имеет вид перевернутого колокола (рис.10.1). На ней можно отметить критические точки, определяющие пределы выносливости (толерантности, от латинского слова толеранция - терпение) данного вида организмов по отношению к рассматриваемому фактору (поэтому данная диаграмма называется кривой толерантности). Выход за эти пределы ведет к массовой гибели организмов. Зона вблизи максимума кривой называется зоной оптимальных условий. К ней обычно приурочена максимальная плотность популяции. За пределами этой зоны между критическими точками находятся зоны угнетения, в которых организмы находятся в состоянии стресса.

Рис.10.1

Таких кривых для данного вида организмов можно начертить множество - по каждому из факторов среды. Одна и та же среда обитания может предоставлять организмам такие сочетания различных факторов, что одни из них будут соответствовать зоне оптимальных условий для данного вида организмов, другие будут выходить за пределы этой зоны. Наиболее полно потенциальные возможности данного вида будут проявляться в том случае, если все факторы лежат в зоне оптимума. В соответствии с законом лимитирующих факторов выход за пределы толерантности хотя бы по одному из этих факторов чреват гибелью организмов. Точно также если один из факторов попадает в зону угнетения, то это будет иметь более существенное значение для организма, чем то, что все остальные факторы будут находиться в зоне оптимальных условий.

Правда, это правило имеет одно существенное ограничение, связанное с взаимодействием различных факторов. Так в 1930 г. Э. Рюбель сформулировал закон компенсации факторов: отсутствие или недостаток некоторых факторов может быть компенсирован другим близким фактором. В более общей формулировке он звучит следующим образом: одни факторы могут усиливать или смягчать действие других факторов. Например, недостаток света может в какой-то мере смягчаться повышенным содержанием углекислого газа в воздухе.

Именно лимитирующие факторы определяют обычно границы распространения видов (популяций), то есть их ареалы, от них зависит продуктивность сообществ, численность особей и многие другие параметры жизни.

Кривые толерантности для разных факторов могут иметь более широкую или более узкую форму, соответственно различаются и пределы толерантности организма по отношению к разным факторам. Организмы с широким диапазоном толерантности по отношению к данному фактору называются эврибионтами (от греческих слов эури - широкий и биос - жизнь). Организмы с узким диапазоном толерантности по отношению к данному фактору называются стенобионтами (от греческих слов стенос - узкий). Один и тот же организм может быть стенобионтом по отношению к одним факторам и эврибионтом по отношению к другим. Более того в разные периоды жизни одного организма его требования к среде могут существенно меняться. Например, по отношению к температуре личинки насекомых обычно стенобионтны, в то время как куколки и взрослые особи могут относиться к эврибионтам.

Эврибионты хорошо выдерживают широкий диапазон колебаний факторов среды, например, типичным эврибионтом является верблюд, способный жить не только в условиях пустыни, выдерживая значительные колебания температуры, недостаток влаги и пищи, но и в условиях умеренного пояса. Виды с широкими диапазонами толерантности обычно первыми заселяют новые районы, в которых произошли какие-то специфические изменения окружающей среды, для которых у природы пока еще не выработаны адаптации, то есть определенные приспособления к действию данных факторов. Если условия среды изменяются в малых диапазонах, то это способствует формированию у организмов четких адаптаций, иногда в ущерб ширине диапазона толерантности. При этом они оказываются способными нормально существовать в достаточно суровых по нашим меркам условиях, например, в полярных водах, где температура хотя и низкая (около 2°С), но достаточно стабильная, или в даже в жерлах вулканов. То есть эврибионты достойно выдерживают конкуренцию при достаточно широких и непредсказуемых колебаниях факторов среды. В более стабильных условиях в конкурентной борьбе как правило побеждают стенобионты.

Таким образом, появление в природе узких пределов толерантности можно рассматривать как форму специализации, в результате которой большая эффективность достигается в ущерб адаптивности организмов. Обычно с ростом стенобионтов в сообществе увеличивается разнообразие видов. То есть это есть одна из разновидностей дифференциации в природе.

Эта закономерность характерна для любого эволюционного процесса. В упоминавшемся уже процессе эволюции науки также можно наблюдать постепенную дифференциацию отдельных отраслей знания, которые все более сужают свой предмет. Специалисты в этих отраслях знания, как правило, характеризуются довольно узким кругозором, зато становятся отличными знатоками своего предмета. Подобные тенденции являются прямым следствием принципа оптимальности, так как в итоге система стремится к энергетически более выгодному состоянию. Узкая специализация способствует более эффективному преобразованию энергии, но при этом предъявляются повышенные требования к форме энергии на входе данной специализированной подсистемы. Такую форму должны обеспечить другие узкоспециализированные подсистемы, стоящие на предыдущих (а иногда и на более высоких) уровнях в цепи преобразования энергии. Но они в свою очередь по своему также требовательны к форме входной энергии. Так строится довольно сложная иерархичная, но достаточно запутанная, структура преобразования энергии данной системой, аналогичная трофической сети экосистем. Ее отличительная особенность в строгой увязке всех подсистем, в их взаимозависимости и в полной невозможности самостоятельного существования вне системы. Это как раз то, что отличает целостный живой организм от совокупности слабосвязанных друг с другом элементов. Именно благодаря узкой и взаимозависимой специализации отдельных особей можно считать живыми организмами такие биосистемы, как муравейник, термитник, улей, а также более крупные образования: коралловый риф, тропический лес, человеческий социум, биосфера в целом.

10.2. Соответствие между организмами и средой обитания

Жизнь развивается в тесном взаимодействии и единстве среды и населяющих ее организмов. Это один из важнейших законов эволюции, сформулированный В.И.Вернадским. Это значит, что в природе действует принцип экологического соответствия: форма существования организма всегда соответствует условиям его жизни. И это соответствие закрепляется генетическими механизмами, поэтому каждый вид организмов может существовать только до тех пор, пока окружающая его среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям. Если эта среда изменяется, то организмы вынуждены либо мигрировать в поисках подходящей среды обитания, либо адаптироваться к новой среде, дав, возможно, начало новому виду, либо погибнуть. Это является основным механизмом действия закона давления среды на жизнь, или закона ограниченного роста, сформулированного Ч. Дарвином, более известного как закон естественного отбора: несмотря на то, что потомство одной пары особей, размножаясь в геометрической прогрессии, стремится заполнить весь земной шар, имеются ограничения, не допускающие этого явления. Суть этих ограничений как раз и состоит в действии на организмы факторов среды. Вовсе не сильнейший выживает в естественном отборе, а тот, который наиболее адаптирован к факторам среды, то есть кто наиболее гармонично вписан в нее, в ком наиболее полно выражено подобие с системой более высокого иерархического уровня, то есть с экосистемой, с биосферой, с планетой, со Вселенной в целом, тот, кто, подчиняясь требованиям метасистемы, смог правильно изменить себя и своих потомков.

В то же время согласно принципу максимального давления жизни, открытого В.И.Вернадским, любой вид организмов, стремясь к экологической экспансии, постоянно увеличивает свое давление на среду, изменяя ее в целях достижения более оптимальных для себя значений факторов среды. Давление это растет до тех пор, пока не будет строго ограничено внешними факторами, то есть действием со стороны надсистемы (метасистемы) или со стороны конкурентов или хищников того же уровня системной иерархии. Если этого сделать не удается, то наступает эволюционно-экологическая катастрофа. Она проявляется в разрушении обратных связей, регулирующих деятельность вида в составе экосистемы, и, как следствие, в возникновении длинного ряда противоречий, ведущих к аномальному явлению: разрушению видом собственной среды обитания. В этом случае вид вымирает или мигрирует, а биоценоз экосистемы подвергается качественной перестройке. К этим же последствиям приводит ситуация, когда экосистема, следуя за изменениями более высокой надсистемы, уже изменилась (например, вследствие глобального похолодания или потепления), а вид, подчиняясь генетическому консерватизму, остается неизменным.

Постоянное давление жизни на среду вместе с лимитирующим давлением среды на жизнь приводит к возникновению динамического равновесия, в котором происходит взаимозависимое прогрессивное движение, называемое эволюцией. Поступательность этого движения иногда нарушается локальными или глобальными экологическими катастрофами, но, несмотря на это, после каждой катастрофы жизнь становится еще сложнее, подчиняясь закону необратимости эволюции. В процессе эволюции происходит не только усложнение форм жизни, но и изменение среды, благоприятствующее новым формам жизни. Какая из этих двух сил первична, а какая вторична, сказать, наверное, невозможно. Они взаимодополнительны. Жизнь по своей природе антиэнтропийна. Она накапливает в себе более качественную энергию, чем энергия в окружающей среде. А значит, она способна оказывать на среду управляющее воздействие, изменяя ее, в чем, собственно, и выражается давление жизни на среду. В то же время среда подвержена мощному влиянию надсистем: общепланетных, космических и других факторов, на которые воздействие жизни пока еще не распространяется. Именно через эти недоступные для влияния жизни составляющие среды обитания происходит давление среды на жизнь, заставляющее ее изменять саму себя путем поиска всевозможных адаптаций к фатальной неустранимости этих факторов. Мы меняем среду, среда меняет нас, и в этом мудрость Вселенной, в которой фатальная предопределенность гармонирует со свободой выбора.

Большее качество энергии жизни позволяет ей осуществлять более точные и направленные воздействия на среду, в этом главная сила жизни. Например, муравьи в процессе длительного и кропотливого труда собирают в одном месте огромное количество опавшей хвои, укладывают и скрепляют ее в определенном порядке, не забывая предусмотреть разветвленной сети «коридоров» и «комнат». Никакой ветер не смог бы создать такой конструкции.

Действие факторов среды очень грубое и ненаправленное. Но с ними не поспоришь, под них нужно подстраиваться. Для этого жизнь использует всю информационную мощь концентрированной энергии. И, как это ни странно, результат этих приспособлений оказывается вполне предсказуем, и даже достаточно точно. В теории эволюции это называется конвергенцией (схождением признаков): если условия существования организмов разного эволюционного происхождения одинаковы, то они приобретают сходные приспособления к среде обитания. Так, например, тела акулы, пингвина и дельфина, которые являются представителями совершенно разных систематических групп (рыба, птица, млекопитающее), обитая в водной среде, вынуждены были принять аналогичные формы. Это прямое следствие принципа оптимальности: путем многократных проб и ошибок ввиду наличия разного рода обратных связей эволюционный процесс рано или поздно обязательно нащупает наиболее оптимальные формы жизни в данных конкретных условиях. То есть, несмотря на всю приблизительность и неточность действий факторов среды, благодаря действию принципа оптимальности, результат воздействия среды обитания на организмы оказывается настолько же точен и предсказуем, как и обратное действие организмов на среду.

Таким образом, среда неявно задает определенный эталон, которому жизнь в данном месте и в данное время должна достаточно точно соответствовать, иначе она попадет под пресс лимитирующих факторов и должна будет либо погибнуть, либо приспособиться. Этот эталон динамичен, то есть он меняется во времени. Несмотря на наличие некоторого фатализма, вызванного действием надсистем, он не лишен вероятности существенных корректировок изнутри, то есть со стороны систем более низкого уровня.

Примерно то же самое можно сказать и про генетический механизм биосистем. Здесь также присутствует некоторая фатальная предопределенность онтогенеза. Это своего рода судьба, записанная частично в структуре молекул ДНК, а частично в структуре той среды, в которой мы рождаемся, включая уникальные для каждого из нас исходные условия (мать, отец, время и место рождения и т.д.). Но одновременно с этим мы сами творим свою судьбу. Мы не рабы своей судьбы, и у нас есть свобода строить свою жизнь по своему усмотрению, но в определенных пределах, диктуемых обществом, биосферой и другими надсистемами вплоть до Вселенной в целом. При каждом конкретном сочетании условий существует один наиболее оптимальный путь развития событий. Любое живое существо методом множества пробных шагов оценивает большинство (если не все) из возможных вариантов и неизбежно находит наиболее оптимальный. Именно в этом направлении оно должно сделать свой следующий шаг, потому что все другие неоптимальные шаги неизбежно ведут к дисгармонии (неоптимальность означает отсутствие подобия с надсистемой, отсутствие точной настройки на ее параметры, то есть на ее волю). Эту дисгармонию мы ощущаем в форме разного рода страданий (голос совести, душевные страдания, боль). Низкоорганизованные существа делают эти пробные шаги достаточно явно (вспомните муху, бьющуюся о стекло в поисках выхода). Для высокоорганизованных существ ситуация несколько облегчается возможностью моделировать ситуацию в своей психике, человек моделирует в сознании. Мощными орудиями для этого являются наша фантазия и наш аналитический ум (рассудок). Но гораздо большее количество моделирующих процессов происходит на неосознанном уровне, при этом в сознание выдается уже готовый ответ. Этот механизм мы называем интуицией, подобные моделирующие механизмы животных мы называем инстинктом.

Таким образом, посредством факторов среды планета, космос, Вселенная достаточно однозначно направляют все жизненные процессы в биосфере. На сколько оптимально и оправдано это воздействие - не нам судить, мы можем только принять это как данность, по возможности умеренно воздействуя на среду, смягчая действие ее факторов. Однако сама история эволюции жизни на Земле лишний раз подтверждает третий закон Коммонера: природа всегда права. Поэтому нам нужно существенно ослабить прессинг на среду своего обитания, который в последнее время возрос до пределов, вызывающих экологические катастрофы. Как уже отмечалось, по словам Дж. Форрестера «у человечества имеется только одна альтернатива - отказ от надежд на дальнейший рост благосостояния или экологическая катастрофа; лучше экономическая стагнация, чем экологический кризис». Больше внимания нужно уделить не преобразованию планеты под свои потребности, возрастающие бешеными темпами, а адаптациям к факторам среды, как, собственно, и поступает весь живой мир в основной своей массе.

10.3. Адаптация к факторам среды

Согласно теории Ч. Дарвина, организмы изменчивы. Невозможно найти двух абсолютно тождественных особей одного вида. Эти различия частично передаются по наследству. Все это легко объяснимо и с точки зрения генетики. Каждый вид и каждая популяция насыщены разнообразными мутациями, то есть изменениями в строении организмов, вызванными соответствующими изменениями в хромосомах, которые происходят под влиянием факторов внешней или внутренней среды. Эти изменения в признаках организма имеют скачкообразный характер и передаются по наследству. В подавляющем большинстве эти мутации оказывается, как правило, неблагоприятными, поэтому практически все они рецессивные, то есть их проявления исчезают через определенное количество поколений. Однако вся эта совокупность изменений представляет собой резерв наследственности, генофонд вида или популяции, который может быть мобилизован через естественный отбор при изменении условий существования популяций.

Если популяция живет в относительно постоянных условиях, то практически все мутации отсекаются естественным отбором, который в данном случае называется стабилизирующим. Закрепляются лишь мутации, ведущие к меньшей изменчивости признаков, а также мутации, способствующие экономии энергии за счет избавления от функций, ставших в неизменных условиях «лишними». Это способствует формированию стенобионтов. Часто стабилизирующий отбор ведет к дегенерации, то есть эволюционным изменениям, связанным с упрощением формы организации, сопровождающимся обычно исчезновением каких-то органов, потерявших свое значение. Так киты потеряли задние конечности, ланцетник не имеет собственных органов пищеварения и т.п. Взамен потерянным могут быть приобретены новые органы.

При изменении условий среды обитания формируется давление среды на популяцию, при этом наибольшие шансы на выживание получают носители таких мутаций, которые «угадали» такие изменения, которые более благоприятны для новых условий среды, чем исходные формы. Именно они дают наибольшее потомство, в котором происходит еще большее уточнение форм, удовлетворяющих новому состоянию среды. В результате с каждым новым поколением формы постепенно изменяются. Такой естественный отбор называется движущим.

Незначительные эволюционные изменения, способствующие лучшему приспособлению к определенным условиям среды обитания, называются идеоадаптацией. Это различного рода частные приспособления: защитная окраска, плоская форма придонных рыб, приспособления семян к рассеиванию, вырождение листьев в колючки для уменьшения транспирации т.п. Путем идеоадаптации возникают обычно мелкие систематические группы: виды, рода, семейства.

Более существенные эволюционные изменения, не являющимися приспособлениями к отдельным факторам среды, приводящие к существенным изменениям форм жизни, давая начало новым отрядам, классам, типам и т.п., называются ароморфозом. Примером ароморфоза является выход древних рыб на сушу и формирование класса земноводных. Следствиями ароморфоза являются также и возникновение таких качеств живых существ, как психика и сознание. Ароморфоз знаменует собой крупные революционные изменения в структуре биосферы, вызванные, по-видимому, глобальными изменениями среды обитания.

Рассуждая по принципу аналогии, можно предположить, что так же, как окружающая среда воздействует на нас, вынуждая нас искать способы приспособления к ней, также и мы можем воздействовать на клетки наших организмов, как надсистема, вынуждая их приспосабливаться к внешним для них условиям теми способами, которые мы от них ожидаем и которые по каким-то причинам нам необходимы. Например, мы начинаем регулярно нагружать наши мышцы, и наши мышечные ткани, адаптируясь к новым условиям, в ответ на эти нагрузки начинают расти и крепнуть. Воздействие может происходить и по более сложной цепи, например, в случае испуга в нашу кровь выделяется адреналин, вынуждающий все клетки перейти в стрессовое, то есть более активное, состояние, использовав для этого свои резервы, что дает всему организму дополнительную силу для преодоления внешней опасности. Таким образом, механизм воздействия на внутренние подсистемы посредством изменения факторов среды для этих подсистем является, по-видимому, достаточно универсальным механизмом воздействия любой надсистемы на свою внутреннюю организацию.

Не является исключением, скорее всего, и внутриклеточный уровень. Если клетка нашего организма попадает в измененные условия, и эти изменения либо закрепляются, либо периодически повторяются, то клетка пытается приспособиться к новым условиям, изменяя соответствующим образом свою структуру, то есть изменяя внутриклеточную среду, воздействуя тем самым на населяющие ее органоиды, в том числе и на хромосомы, которые также, вероятно, вынуждены приспосабливаться к внешним для них условиям. Не исключено, что при некоторых воздействиях на организм практически весь генетический аппарат во всех клетках подвергается определенному воздействию, которое приводит к вполне однозначным изменениям в строении хромосом. Это значит, что внешняя среда напрямую может воздействовать на наш генетический аппарат.

То есть мутации, о которых мы говорили, могут оказаться вовсе не случайными, а вполне направленными. Тогда теория естественного отбора приобретает небольшую корректировку: среди мутаций, присутствующих в популяции при конкретном изменении условий среды, преобладают те, которые непосредственно инициированы именно данным изменением. То есть сами мутации являются, по-видимому, направленными и призванными найти новые формы, отвечающие требованиям изменившейся среды. А так как ответ жизни на внешние изменения, как мы уже говорили, подчиняясь принципу оптимальности, оказывается вполне однозначным, то не исключено, что конкретная мутация какого-либо признака носит цепной характер. То есть, возникнув однажды в потомстве одной пары, удачная мутация оказывается «заразной» для других пар родителей, дающих свое потомство, но с теми же удачными мутациями. В результате уже в течение одного поколения в рамках вида у разных родителей могут народиться дети, обладающие одинаковыми признаками, отличающимися от признаков родителей, образовав тем самым совершенно новый подвид. И тогда уже бесполезно искать какие-то промежуточные звенья. Новый подвид (а впоследствии новый вид) появляется сразу, практически в одно время, и сразу же оказывается представленным достаточно большим для устойчивого размножения количеством особей. Правда, пока это только гипотеза.

Такие процессы возникают, по-видимому, в те самые периоды серьезных изменений среды, грозящих вымиранием данному виду. Именно тогда формируется «мутовка», то есть на свет появляется огромное количество мутаций, цель которых: найти верное решение, новую форму. И это решение обязательно будет найдено, потому что для этого жизнь задействует «технику пробного нащупывания», являющуюся «специфическим и неотразимым оружием всякого расширяющегося множества. Мутации заполняют все возможное пространство вариантов новых форм, а потом уже сама среда определяет, какие из этих форм закрепятся в жизни, а какие исчезнут, не пройдя испытание естественным отбором. Иногда такая мутовка порождает целый букет новых фил, то есть эволюционных ветвей, являющихся разными ответами на одно и то же изменение среды.

Приспособление организмов к факторам среды вызывается не только эволюционными перестройками, происходящими в биосфере. Часто организмы используют естественную направленность и периодичность этих факторов для распределения своих функций по времени и программирования своих жизненных циклов, чтобы наилучшим образом использовать благоприятные условия. Благодаря взаимодействию между организмами и естественному отбору, все сообщество становится запрограммированным на разного рода природные ритмы. В этих случаях факторы среды выступают в роли своего рода синхронизаторов процессов в биосфере.

По степени направленности действия факторы среды обитания можно классифицировать следующим образом:

  • периодические факторы (суточные, годовые и т.п.);
  • повторяющиеся без строгой периодичности (наводнения, ураганы, землетрясения и т.п.);
  • факторы однонаправленного действия (изменение климата, заболачивание и т.п.);
  • случайные и неопределенные факторы, наиболее опасные для организма, так как зачастую встречаются впервые.

Наилучшим образом живым организмам удается приспособиться к периодическим и однонаправленным факторам, характеризующимся определенностью действий, поэтому поддающимся однозначной расшифровке. То есть требование надсистемы в этом случае вполне понятно.

Частным случаем таких адаптаций к повторяющимся факторам является, например, фотопериодизм - это реакция организма на длину светового дня в умеренных и полярных зонах, которая воспринимается как сигнал для смены фаз развития или поведения организмов. Примерами фотопериодизма являются такие явления, как листопад, линька животных, перелеты птиц и т.п. Применительно к растениям выделяют обычно растения короткого дня, существующие в южных широтах, где при длительном вегетационном периоде день относительно короткий, и растения длинного дня, характерные для северных широт, где при коротком периоде вегетации день длиннее. Другим примером адаптации к периодичности природных явлений может служить суточная ритмика. Например, у животных при смене дня и ночи меняется интенсивность дыхания, частота сердцебиений и т.д. К примеру, серые крысы более лабильны по суточной ритмике, чем черные, поэтому они легче осваивают новые территории, заселив уже практически весь земной шар.

Еще одним примером является сезонная активность. Это не обязательно смена времен года, но и смена, например, сезона дожей и засухи и т.п.

Интересны также адаптации к приливно-отливной ритмике, которая связана как с солнечными, так и лунными сутками (24 ч. 50 мин.). Ежедневно приливы и отливы смещаются на 50 мин. Сила приливов меняется в течение лунного месяца (29,5 дней). При новолунии и полнолунии приливы достигают максимума. Все эти особенности накладывают отпечаток на поведение организмов литорали (приливно-отливной зоны). Например, отдельные рыбы откладывают икру на границе максимального прилива. К этому же периоду приурочен выход мальков из икринок. Многие ритмические адаптации передаются по наследству даже при перемещениях животных из одной зоны в другую. В таких случаях может быть нарушен весь жизненный цикл организма. Например, страусы на Украине могут откладывать яйца прямо на снег.

Механизмы приспособления к периодичности процессов могут быть самыми неожиданными. Например, у некоторых насекомых на фотопериодизме основан своего рода контроль рождаемости. Длинные дни в конце весны и начале лета вызывают в ганглии нервной цепочки образование нейрогормона, под влиянием которого появляются покоящиеся яйца, дающие личинки только следующей весной, сколь благоприятными бы ни были кормовые и другие условия. Таким образом, рост популяции сдерживается еще до того, как запасы пищи станут лимитирующим фактором.

Адаптация к факторам, повторяющимся без строгой периодичности, формируется гораздо сложнее. Тем не менее, чем более характерен данный фактор для природы (например, пожары, сильные бури, землетрясения), тем больше конкретных механизмов адаптаций находит для них жизнь. Например, в отличие от длины дня количество осадков в пустыне совершенно непредсказуемо, тем не менее, некоторые однолетние растения пустыни используют обычно этот факт в качестве регулятора. Их семена содержат ингибитор прорастания (ингибитор - вещество, тормозящее процессы), который вымывается только определенным количеством осадков, которого будет достаточно для полного жизненного цикла данного растения от прорастания семени до созревания новых семян.

По отношению к лесным пожарам растения также выработали специальные адаптации. Многие виды растений вкладывают больше энергии в подземные запасающие органы и меньше - в органы размножения. Это так называемы «восстанавливающиеся» виды. «Гибнущие в зрелости» виды, наоборот, дают многочисленные семена, готовые прорасти сразу же после пожара. Некоторые из этих семян десятилетиями лежат в лесной подстилке, не прорастая и не теряя всхожести.

Наиболее опасны для живых организмов факторы неопределенного действия. Природные системы обладают способностью хорошо восстанавливаться после острых стрессов, типа пожаров и бурь. Более того, многие растения даже нуждаются в случайных стрессах, для поддержания «жизненного тонуса», повышающего устойчивость существования. Но малозаметные хронические нарушения, особенно характерные для антропогенного влияния на природу, дают слабые реакции, поэтому их трудно отследить, а самое главное трудно оценить их последствия. Поэтому адаптации к ним формируются крайне медленно, иногда гораздо медленней, чем время накопления последствий хронического стресса сверх пределов, после которых экосистема разрушается. Особенно опасны промышленные отходы, содержащие новые химические вещества, с которыми природа еще не сталкивалась. Одним из опаснейших стрессоров является тепловое загрязнение среды. Умеренное повышение температуры может оказать на жизнь положительное воздействие, но после определенного предела начинают проявляться стрессовые эффекты. Особенно это заметно в водоемах, непосредственно связанных с тепловыми электростанциями.

Давление человека на среду уже превышает все мыслимые пределы. Но оно к тому же и растет с каждым годом. Мы очень упрямы и сильны, и среда все более стремительно поддается нашему напору. Мы почему-то уверены, что можем лепить из нее и брать от нее все, чего нам хочется. Сколько еще она сможет выдержать этот натиск? Когда начнется цепная реакция ее разрушения? Это только вопрос времени. Единственная надежда на то, что человек одумается и откажется от своих проектов перестройки надсистемы по своему усмотрению. Однако время первого испуга после докладов Римского клуба о крахе цивилизации уже миновало. Вот уж тридцать лет прошло, а ничего страшного еще не случилось. Может нас просто пугают, как всегда? Вместе с отступлением страха мы с удвоенной силой вгрызаемся в планету, выжимая из нее еще больший рост нашего благосостояния. Обогащайтесь! - вот девиз нашего времени. Правда, вместо всеобщего благоденствия мы почему-то приходим к резкой дифференциации общества, вместо радости от благ цивилизации мы получаем чрезмерные психические перенапряжения, вместо душевного подъема - духовную деградацию, вместо прогресса - движение в пропасть.

Может быть, это и есть конец света? Ведь налицо все его признаки: «И будут знамения на солнце и луне и звездах, а на земле уныние народов и недоумение; и море восшумит и возмутится; люди будут издыхать от страха и ожидания бедствий, грядущих на вселенную, ибо силы небесные поколеблются ...» [Лк 21:25-26]. Вот уже и апокалиптический зверь пришел на землю, и все народы поклонились ему: «Кто имеет ум, тот сочти число зверя, ибо число это человеческое; число его - шестьсот шестьдесят шесть» [Откр. 13:18]. А мудрость разумных, как раньше считалось, заключена в Библии. Поэтому мы открываем 3-ю книгу царств Ветхого завета и читаем: «В золоте, которое приходило Соломону в каждый год, весу было шестьсот шестьдесят шесть талантов золотых ...» [3 Цар 10:14]. Так не золото ли, точнее, деньги и богатство, являются тем зверем, который призван развратить мир перед концом света? К счастью, конец света еще вовсе не означает конец жизни на Земле. Но вот конец цивилизации, а возможно, и конец человечества вполне реален.

ПОВТОРИМ

  1. Биотические и абиотические факторы окружающей среды.
  2. Закон лимитирующих факторов.
  3. Пояснить ход кривой толерантности.
  4. Закон естественного отбора.
  5. Конвергенция в теории эволюции.
  6. Естественный отбор – стабилизирующий и движущий.
  7. Классификация и характеристика действия факторов среды обитания по степени направленности.

Глава 11

ОРГАНИЗАЦИЯ ЭКОСИСТЕМ

В предыдущей главе было рассмотрено взаимодействие живых организмов со средой обитания. Причем основной акцент был сделан на абиотические факторы среды, так как именно они задают главные тенденции в развитии жизни на планете. Тем не менее, более многочисленные воздействия живые организмы ощущают со стороны других живых организмов, организованных в единую экосистему. Поэтому необходимо более подробно остановиться на механизмах формирования биотических факторов среды обитания.

В отличие от абиотических факторов, живые организмы, обладая высококачественной энергией, воздействуют друг на друга очень направленно и однозначно. Это требует выработки тонких и сложных адаптаций, потому что, несмотря на локальность действия этих факторов, уйти от них довольно сложно. Если от надвигающегося лесного пожара можно убежать в поле, то от преследующего тебя хищника так просто не избавишься, нужно либо отрастить себе длинные быстрые ноги, либо заставить свои волосы превратиться в колючки, либо изменить цвет тела, чтобы лучше прятаться, маскируясь под среду. Наибольшее количество адаптаций вызвано действием именно биотических факторов.

Переплетаясь в самых различных комбинациях, взаимоотношения между организмами порождают массу синергетических эффектов (неожиданные эффекты от совместного действия, не сводимые к сумме отдельных эффектов), которые в свою очередь приводят к рождению новых эмерджентностей экосистемы, которые характеризуют ее как единое целое - организм.

Пока еще в экологии не принято называть экосистемы самостоятельными живыми организмами. Больше принято называть их надсистемами. Действительно, могу ли я назвать живыми организмами свою печень или сердце? Это органы, подсистемы моего организма. Также и крупные экосистемы, такие как биогеоценозы, являются, скорее всего, подобными подсистемами живого организма биосферы (или планеты в целом), обладающие ограниченной самостоятельностью. Но это живые подсистемы. И изучать их нужно так же, как мы изучаем функции и строение своих органов, заранее зная, что понять все это невозможно, если забыть, что мы изучаем подсистему живого организма, деятельность которой подчинена потребностям этого организма, гибель которой может привести к гибели всего организма.

11.1. Связи в экосистемах

Ни один организм в природе не существует вне экосистем. И проявляется это в первую очередь в наличии огромного количества взаимосвязей данного организма с другими организмами и с абиотическими факторами. Эти связи – основное условие жизни организмов и их сообществ. Через эти связи реализуются механизмы круговорота биогенных веществ, механизмы передачи энергии, механизмы устойчивости экосистем. Эти связи настолько отточены ходом эволюционного процесса, что нарушение хотя бы одной из них может повлечь за собой цепь необратимых последствий вплоть до гибели экосистемы, точнее, вплоть до коренной перестройки ее структуры или замене другой экосистемой, как правило, более бедной. Это обязательно должен помнить человек, вмешиваясь в природу своей производственной деятельностью. Согласно третьему закону Коммонера, любое такое вмешательство, как правило, неблагоприятно для природы. Поэтому мы должны знать, что, преобразуя природу, мы очень часто выступаем в роли «убийц надсистем», которые в некоторых случаях по сложности связей намного превышают сложность организации любого живого организма (в общепринятом понимании этого термина).

Взаимосвязи между организмами можно разделить на межвидовые и внутривидовые. Внутривидовые связи мы будем рассматривать более подробно при изучении динамики популяций. Здесь же мы остановимся на межвидовых отношениях, которые оказывают наибольшее влияние на организацию экосистем. Эти взаимосвязи обычно классифицируются по «интересам», на базе которых организмы строят свои отношения:

  • пищевые (трофические) связи - формируют трофическую структуру экосистемы, которую мы уже рассмотрели ранее; помимо отношений, когда одни организмы служат пищей другим, сюда же можно отнести отношения между растениями и насекомыми-опылителями цветов, конкурентные отношения из-за похожей пищи и др.; это самый распространенный тип связей;
  • топические связи (от греческого слова топос - место) - основаны на особенностях местообитания, например, отношения между деревьями и гнездящимися на них птицами, живущими на них насекомыми, отношения между организмами и их паразитами и т.п.;
  • форические связи (от латинского слова форас - наружу) - отношения по распространению семян, плодов и т.п.;
  • фабрические связи (от латинского слова фабрикато - изготовление) - использование растений, пуха, шерсти для постройки гнезд, убежищ и т.п.

Воздействие популяций двух видов друг на друга теоретически можно выразить в виде следующих комбинаций символов:

(0,0), (-,-), (+,+), (+,0), (-,0), (+,-).

Здесь «0» - отсутствие какого-либо воздействия, «+» - положительное воздействие одного вида на другой, «-» - отрицательное воздействие. В результате мы получаем следующие основные виды взаимодействий.

11.1.1. Симбиоз (протокооперация и мутуализм) - (+,+)

Эти отношения взаимовыгодны для обоих партнеров. Подобные ассоциации между разными видами очень распространены в природе и играют крайне важную роль в эволюции разрозненного сообщества живых организмов в целостную надсистему вплоть до единого живого организма. Именно в этих отношениях формируется наибольшее количество синергетических эффектов, перерастающих в конечном итоге в ярко выраженные эмерджентные свойства надсистемы.

В симбиозе оба партнера оказываются взаимозависимыми друг от друга. Степень этой взаимозависимости может быть самой разной: от протокооперации, когда каждый из партнеров вполне может существовать самостоятельно при разрушении симбиоза, до мутуализма, когда оба партнера настолько взаимозависимы, что удаление одного из партнеров приводит к неминуемой гибели их обоих.

Примером протокооперации могут служить отношения крабов и кишечнополостных, которые прикрепляются к крабам, маскируя и защищая их своими стрекательными клетками. В то же время они используют крабов как транспортные средства и поглощают остатки их пищи.

Ярким примером мутуализма являются лишайники. Долгое время было непонятно, относить ли лишайники к грибам или к водорослям. Оказалось, что лишайник - это симбиотическая система гриба и водоросли, функциональная и морфологическая связь которых настолько тесна, что их можно рассматривать как особого рода организм, не похожий ни на один из слагающих его компонентов. Поэтому лишайники обычно классифицируют не как симбиозы двух видов, а как отдельные виды живых организмов. Водоросль поставляет грибу продукты фотосинтеза, а гриб, будучи редуцентом, поставляет для водоросли минеральные вещества и, кроме того, является субстратом, на котором она живет. Это позволяет существовать лишайникам в крайне суровых условиях.

Случаи мутуализма чаще всего встречаются у организмов именно с разными потребностями. Очень часто, например, такие отношения возникают между автотрофами и гетеротрофами. При этом они как бы взаимодополняют друг друга. То есть в мутуализме наиболее полно проявляется принцип дополнительности, как наиболее фундаментальный закон природы. Ущербная в каком-то отношении биосистема стремится найти партнера, способного «закрыть» эту ущербность, но по-своему тоже ущербного, чья ущербность закрывается первым партнером. Это еще не мутуализм, а протокооперация. Совместная эволюция таких партнеров способствует более узкой специализации каждого из них, при этом их изначальная ущербность становится еще более явной. Но это энергетически более выгодно для системы в целом, поэтому такая система приобретает большую жизнеспособность. Однако каждый из компонентов в отдельности становится крайне уязвимым.

Подобные механизмы в природе не редкость. Протон объединяется с электроном, обнуляя тем самым общий электрический заряд получаемого в результате атома водорода. Атомы двух разных химических элементов сливаются в молекулу, объединяя свои внешние электронные оболочки, чтобы создать одну общую оболочку с полным комплектом электронов. Мужчина и женщина, являясь полными противоположностями друг другу, объединяются в семью, которая, как правило, гораздо более гармонична, чем каждый из людей в отдельности. В таких системах количество взаимодействий с внешним миром гораздо меньше, чем в разобщенном состоянии. То есть такие системы более независимы от внешнего мира. Именно минимум напряжений в отношениях с внешним миром отличает состояние гармонии, то есть наиболее устойчивое состояние, энергетически наиболее выгодное. Таким образом, объединение противоположных в каких-то отношениях живых существ в симбиозы есть прямое следствие принципа оптимальности.

Именно по пути укрепления симбиозов эволюционировали многие исходные формы жизни, прежде чем они становились едиными живыми организмами. Например, микроорганизмы, населяющие пищевой тракт жвачных животных, вовсе не являются частью организма коровы. Но только они способны образовывать из клетчатки, съеденной коровой, жирные кислоты, которые корова может ассимилировать. Непосредственно клетчатку коровы переваривать не могут, и поэтому они погибнут от голода, если стерилизовать их пищевой тракт, даже если кругом изобилие трав. Бактерии в свою очередь в пищевом тракте коровы обеспечиваются стабильной средой с постоянной температурой.

Очень богаты симбиотическими отношениями экосистемы. Общеизвестны, например, отношения мутуализма между корнями деревьев и грибницей (микроза), без которого не может быть северного леса (этот пример мы рассматривали раньше). Такая мутуалистическая система, как сосна-микроза, способна выжить даже на почвах, разрушенных интенсивным возделыванием сельскохозяйственных монокультур. Особо сложные симбиотические отношения сложились во влажных тропических лесах, что делает практически невозможным их восстановление после сплошных рубок, например, в бассейне Амазонки.

11.1.2. Комменсализм - (+,0)

Это слово произошло от французского слова комменсал - сотрапезник. Отношения комменсализма положительны для одного партнера и безразличны для другого. Частные случаями комменсализма:

  • нахлебничество – один организм питается остатками пищи другого, например, взаимоотношения львов и гиен, акул и рыб-прилипал и т.п.;
  • сотрапезничество – потребление разных частей или веществ одной и той же пищи или последовательная переработка одного и того же вещества; примером могут служить отношения между сапротрофами, разлагающими органику до минеральных веществ, и высшими растениями, которые потребляют эти вещества; другими примером являются копрофаги, питающиеся экскрементами других животных;
  • квартирантство (сожительство) – одни организмы используют другие как убежища или транспорт, например, рыба горчак откладывает икру в мантию двустворчатого моллюска, не принося ему вреда, многие насекомые обитают в гнездах птиц и норах грызунов, и т.п.

Комменсализм является наиболее простым типом положительных взаимодействий, являющимся, по-видимому, первым шагом к симбиозу.

11.1.3. Хищничество и паразитизм - (+,-)

Эти отношения положительны для одного вида и отрицательны для другого. Несмотря на кажущиеся отличия между хищниками и паразитами, их объединяет главное - они на кого-то отрицательно воздействуют, получая от этого выгоду. Отличия состоят лишь в том, что в отношениях хищник-жертва оба организма постоянно совершенствуются, а в отношениях паразит-хозяин адаптации паразита часто направлены на упрощение внутренней организации и приспособление к конкретному местообитанию на теле или в теле хозяина. Наверное, поэтому хищники нам более симпатичны, чем паразиты, но суть их одна и та же. Сам человек поставил себя в роли хищника по отношению практически ко всем видам живых организмов, но по отношению к биосфере в целом человек является, по-видимому, типичным паразитом (чем выше развитие цивилизации, тем более деградирует сам человек, «высокоцивилизованный» человек «один на один» с природой не выживет).

Понятие хищник в экологии гораздо шире, чем в общепринятом понимании. По большому счету, любого консумента можно отнести к хищникам. В частности растительноядные животные являются хищниками в отношении растений. Поэтому взаимоотношения эти очень разнообразны. Например, одним из частных случаев подобных отношений является аллелопатия, или антибиоз, когда одна популяция продуцирует вещества - ингибиторы, подавляющие жизнедеятельность конкурирующей популяции. Так кусты черной смородины выделяют летучие вещества, подавляющие рост вишни, которая способна затенить и лишить влаги черную смородину, что случается, если высадить молодые смородиновые кусты в вишневые заросли. Однако сильные заросли черной смородины настолько сильно воздействуют на вишневые деревья, что они даже изгибаются в обратную сторону. Типичным примером антибиоза среди микроорганизмов является образование пенициллина плесневыми грибками, являющегося бактериальным ингибитором.

Хищничество и паразитизм играют важную роль в жизни экосистем, регулируя плотность соответствующих популяций на достаточно низком уровне, сдерживая катастрофические вспышки из численности, одновременно не подавляя их полностью. Обычно в системе отношений хищник-жертва со временем устанавливаются постоянные незатухающие колебания численности хищников и жертв. Отсутствие хищника для какой-либо популяции может вызвать «взрыв» численности популяции «жертв», который подрывает кормовую базу данной популяции и вызывает к жизни какие-то иные механизмы корректировки численности, чаще всего в виде болезней или таких поведенческих механизмов, которые связаны с пренебрежением к жизни каждой отдельной особи. Подробней об этом будем говорить при изучении динамики популяций.

Действие принципа оптимальности приводит к тому, что со временем отрицательные взаимодействия ослабевают, достигая некоторого устойчивого равновесия, соответствующего минимуму внутренних напряжений. Наиболее разрушительные последствия возникают лишь там, где контакт жертв и хищников установлен сравнительно недавно. Это в последнее время связано, в первую очередь, с деятельностью человека, перемещающего различные виды организмов с одного континента или острова на другой. Достаточно вспомнить катастрофическую вспышку численности колорадского жука на наших картофельных полях, поначалу уничтожавших практически весь урожай картофеля, пока человек не взял на себя роль хищника по отношению к данному насекомому. Рано или поздно эти отношения стабилизируются, но иногда экосистема вынуждена полностью перестроиться. Например, заболевание американского каштана, который ранее был важным компонентом лесов на востоке Северной Америки, паразитическим грибом, привезенным случайно из Китая, привело к гибели все крупные деревья, в силу чего каштан утратил свое доминирующее положение в этих лесах.

В ходе эволюции отношения хищник-жертва, а особенно паразит-хозяин, часто перерастают в мутуалистические отношения, которые энергетически наиболее выгодны по сравнению с хищничеством. Так в случае лишайников, гриб изначально был паразитом по отношению к водоросли. У некоторых более примитивных лишайников гриб фактически проникает в клетки водорослей, паразитируя на них. У более развитых видов мицелий гриба не проникает в клетки водоросли, и оба организма живут в полной гармонии. Отношения хищник-жертва привели к образованию скотоводства, которое также является примером симбиоза. В природе подобные случаи также нередки, например, отношения муравьев и тлей.

11.1.4. Конкуренция - (-,-)

Эти взаимоотношения невыгодны обоим партнерам. Они возникают обычно между организмами, претендующими на один и тот же ресурс. То есть конкуренция абсолютно противоположна симбиозу, возникающему, как правило, на почве противоположных потребностей. Конкуренция может возникать по поводу пространства, пищи или биогенных элементов, света, зависимости от хищников, подверженности болезням и т.д. Любая конкуренция приводит к тому, что в виду одинакового взаимного неприятия партнеров, они стремятся отдалиться друг от друга.

Особенно сильна внутривидовая конкуренция, так как особи одного и того же вида максимально близки друг к другу. Эти противоречия частично снимаются внутривидовыми механизмами, подробнее о которых будем говорить при изучении динамики популяций. Внутривидовая конкуренция способствует расширению сферы жизни вида (разбегание).

Отличие межвидовой конкуренции состоит в том, что ввиду специфической индивидуальности отношений каждого вида к факторам среды, популяции разных видов, населяющих одну экосистему, наоборот, стремятся сузить диапазон своего местообитания до зоны оптимальных условий, в которых он обладает какими-либо преимуществами по сравнению с конкурентами. Если же межвидовая конкуренция выражена слабо, то под влиянием внутривидовой конкуренции данный вид будет стремиться к экспансии как можно большего жизненного пространства.

Тенденция к экологическому разделению видов получила название принципа конкурентного исключения Г.Ф. Гаузе: если два вида с близкими требованиями к среде вступают в конкурентные отношения, то один из них должен либо погибнуть, либо изменить свой образ жизни. Если близкородственные виды живут в одном месте, то они, как правило, либо используют разные ресурсы, например, питаются в разных ярусах леса, либо активны в разное время. В любом случае их жизнедеятельность не должна пересекаться.

Поэтому случаи жесткой конкуренции в природе крайне редки и непродолжительны. Как и в случае хищничества, конфронтация видов характерна для экосистем только в переходные периоды, когда, например, по воле человека или каким-то другим причинам в экосистему внедряется новый вид, претендующий на кем-то используемые уже ресурсы. В этом случае выживает, как правило, только один из конкурирующих видов, лучше удовлетворяющий требованиям данного местообитания, проигравший либо погибает, либо мигрирует из данной экосистемы (если, конечно, вмешательство человека не даст дополнительные преимущества менее приспособленному виду). Есть еще один выход, по которому часто идет природа: переадаптация, изменение своих требований, например, переход на новый вид пищи. Таким путем обычно создаются новые виды. Иногда достаточно просто сменить время питания или найти новое местообитание. В любом случае острота конкуренции обязательно снимается, то есть экосистема опять приходит в гармоничное состояние, характеризующееся минимумом конфронтаций.

11.1.5. Аменсализм - (-,0)

Слово аменсализм происходит от латинского слова аменс - безрассудный. Эти отношения отрицательны для одного вида, который угнетается другими видом, для которого эти отношения безразличны. Примером могут служить отношения между светолюбивыми растениями, случайно попавшими под полог елового леса, растение может погибнуть, деревьям же такое соседство безразлично.

11.1.6. Нейтрализм - (0,0)

Это такой вид отношений, когда организмы практически не влияют друг на друга, например, отношения белок и лосей в лесу. По большому счету, чистого нейтрализма в природе не бывает, так как все в природе взаимосвязано, и все мы косвенно как-то влияем друг на друга.

11.2. Экологическая ниша

Любой вид организмов приспособлен для определенных условий существования и не может произвольно менять среду обитания, пищевой рацион, время питания, место размножения, убежища и т.п. Весь комплекс отношений к подобным факторам определяет место, которое природа выделила данному организму, и роль, которую он должен сыграть во всеобщем жизненном процессе. Все это объединяется в понятии экологической ниши. Под экологической нишей понимают место организма в природе и весь образ его жизнедеятельности, его жизненный статус, закрепленный в его организации и адаптациях.

В разное время понятию экологической ниши приписывали разный смысл. Сначала словом «ниша» обозначалась основная единица распределения вида в пределах пространства экосистемы, диктуемого структурными и инстинктивными ограничениями данного вида. Например, белки живут на деревьях, лоси - на земле, одни виды птиц гнездятся на ветвях, другие в дуплах и т.д. Здесь понятие экологическая ниша трактуется в основном как местообитание, или пространственная ниша. Позднее термину «ниша» был придан смысл «функционального статуса организма в сообществе». В основном это касалось места данного вида в трофической структуре экосистемы: вид пищи, время и место питания, кто является хищником для данного организма и т.д. Теперь это называют трофической нишей. Затем было показано, что нишу можно рассматривать как некий гиперобъем в многомерном пространстве, построенном на базе факторов среды обитания. Этот гиперобъем ограничивал диапазон факторов, в котором может существовать данный вид (гиперпространственная ниша).

То есть в современном понимании экологической ниши можно выделить, по крайней мере, три аспекта:

  • физическое пространство, занимаемое организмом в природе (местообитание),
  • его отношение к факторам среды и к соседствующим с ним живым организмам (связи),
  • его функциональную роль в экосистеме.

Все эти аспекты проявляются через строение организма, его адаптации, инстинкты, жизненные циклы, жизненные «интересы» и т.п. Право организма выбирать свою экологическую нишу ограничено довольно узкими рамками, закрепленными за ним от рождения. Однако его потомки могут претендовать на другие экологические ниши, если в них произошли соответствующие генетические изменения.

С использованием концепции экологической ниши правило конкурентного исключения Гаузе можно перефразировать следующим образом: два разных вида не могут длительное время занимать одну экологическую нишу и даже входить в одну экосистему; один из них должен либо погибнуть, либо измениться и занять новую экологическую нишу. Кстати сказать, внутривидовая конкуренция часто сильно уменьшается именно потому, что на разных стадиях жизненного цикла многие организмы занимают разные экологические ниши. Например, головастик - растительноядное животное, а взрослые лягушки, обитающие в том же пруду, - хищники. Другой пример: насекомые на стадии личинки и взрослой особи.

На одной территории в экосистеме может жить большое количество организмов разных видов. Это могут быть близкородственные виды, но каждый из них обязан занять свою уникальную экологическую нишу. В этом случае данные виды не вступают в конкурентные отношения и в определенном смысле становятся нейтральными друг к другу. Однако зачастую экологические ниши разных видов могут перекрываться, по крайней мере, по одному из аспектов, например, по местообитанию или по питанию. Это приводит к межвидовой конкурентной борьбе, которая обычно не носит жесткого характера и способствует четкости разграничения экологических ниш.

Таким образом, в экосистемах реализуется закон, аналогичный принципу запрета Паули в квантовой физике: в данной квантовой системе в одном и том же квантовом состоянии не может находиться более одного фермиона (частиц с полуцелым спином, типа электронов, протонов, нейтронов и т.п.). В экосистемах также происходит квантование экологических ниш, которые стремятся четко локализоваться по отношению к другим экологическим нишам. Внутри данной экологической ниши, то есть внутри популяции, которая занимает эту нишу, продолжается дифференциация на более частные ниши, которые занимает каждая конкретная особь, определяющая статус данной особи в жизни данной популяции.

Происходит ли подобная дифференциация на более низких уровнях системной иерархии, например, на уровне многоклеточного организма? Здесь также можно выделить различные «виды» клеток и более мелких «телец», строение которых определяет их функциональное назначение внутри организма. Некоторые из них неподвижны, их колонии образуют органы, назначение которых имеет смысл только в отношении организма в целом. Имеются и подвижные простейшие организмы, живущие, казалось бы, своей «личной» жизнью, которая, тем не менее, полностью удовлетворяет потребностям всего многоклеточного организма. Так, например, красные кровяные тельца делают только то, что они «умеют»: в одном месте связывают кислород, а в другом месте его высвобождают. Это их «экологическая ниша». Жизнедеятельность каждой клетки организма построена таким образом, что, «живя для себя», она одновременно трудится на благо всего организма. Подобный труд вовсе не утомляет, так же как нас не утомляет процесс приема пищи, или занятие любимым делом (если, конечно, все это в меру). Клетки устроены так, что по-другому они жить просто не могут, так же как пчела не может жить, не собирая с цветов нектар и пыльцу (наверное, это приносит ей какое-то наслаждение).

Таким образом, вся природа «снизу доверху» похоже пронизана идеей дифференциации, которая в экологии оформилась в понятие экологической ниши, которая в определенном смысле аналогична органу или подсистеме живого организма. Сами эти «органы» формируются под действием внешней среды, то есть их формирование подчинено требованиям надсистемы, в нашем случае - биосферы.

Так известно, что в аналогичных условиях формируются подобные друг другу экосистемы, имеющие одинаковый набор экологических ниш, даже если эти экосистемы расположены в разных географических областях, разделенных непреодолимыми препятствиями. Наиболее яркий пример в этом отношении демонстрирует живой мир Австралии, долгое время развивавшийся обособленно от остального мира суши. В экосистемах Австралии можно выделить функциональные ниши, эквивалентные соответствующим нишам экосистем на других материках. Эти ниши оказываются занятыми теми биологическими группами, которые имеются в фауне и флоре данной области, но аналогичным образом специализированными на такие же функции в экосистеме, которые характерны для данной экологической ниши. Такие виды организмов называются экологически эквивалентными. Например, крупные кенгуру Австралии эквивалентны бизонам и антилопам Северной Америки (на обоих континентах сейчас этих животных замещают в основном коровы и овцы).

Подобные явления в теории эволюции носят название параллелизма. Очень часто параллелизм сопровождается конвергенцией (схождением) многих морфологических (от греческого слова морфе - форма) признаков. Так несмотря на то, что весь мир завоевали планцетарные животные, в Австралии по каким-то причинам практически все млекопитающие являются сумчатыми, за исключением нескольких видов животных, привезенных гораздо позднее, чем окончательно оформился живой мир Австралии. Однако здесь встречается и сумчатый крот, и сумчатая белка, и сумчатый волк и т.д. Все эти животные не только функционально, но и морфологически подобны соответствующим животным наших экосистем, хотя никакого родства между ними нет.

Все это свидетельствует в пользу наличия некой «программы» формирования экосистем в данных конкретных условиях. В качестве «генов», хранящих эту программу, может выступать вся материя, каждая частица которой голограммно хранит в себе информацию о всей Вселенной. Эта информация реализуется в актуальном мире в форме законов природы, которые способствуют тому, что различные природные элементы могут складываться в упорядоченные структуры вовсе не произвольным образом, а единственно возможным, или, по крайней мере, несколькими возможными способами. Так, например, молекула воды, получаемая из одного атома кислорода и двух атомов водорода, имеет одну и ту же пространственную форму, независимо от того, произошла ли реакция у нас, или в Австралии, хотя по расчетам Айзека Азимова при этом реализуется всего один шанс из 60 миллионов. Вероятно, нечто подобное происходит и в случае формирования экосистем.

Таким образом, в любой экосистеме присутствует определенный набор строго увязанных друг с другом потенциально возможных (виртуальных) экологических ниш, призванных обеспечить целостность и устойчивость экосистемы. Эта виртуальная структура и есть своего рода «биополе» данной экосистемы, содержащее «эталон» ее актуальной (вещественной) структуры. И по большому счету, даже не важно, какова природа этого биополя: электромагнитная, информационная, идеальная или какая-то другая. Важен сам факт его существования.

В любой сформировавшейся естественным образом экосистеме, не испытавшей на себе воздействие человека, все экологические ниши оказываются заполненными. Это называется правилом обязательности заполнения экологических ниш. Его механизм строится на свойстве жизни плотно заполнять собой все доступное ей пространство (под пространством в данном случае понимается гиперобъем факторов среды).

Одним из главных условий, обеспечивающих выполнение этого правила, является наличие достаточного видового разнообразия. Количество экологических ниш и их взаимоувязка подчинена единой цели функционирования экосистемы как единого целого, имеющего механизмы гомеостаза (устойчивости), связывания и высвобождения энергии и круговорота веществ. По сути дела, подсистемы любого живого организма ориентированы на те же самые цели, что лишний раз говорит о необходимости пересмотра традиционного понимания термина «живое существо». Так же как живой организм не может нормально существовать без того или иного органа, так и экосистема не может быть устойчивой, если не заполнены все ее экологические ниши.

Поэтому данное выше общепринятое определение экологической ниши, по-видимому, не совсем корректно. Оно исходит из жизненного статуса конкретного организма (редукционистский подход), в то время как на первое место надо ставить потребности экосистемы в реализации ее жизненно важных функций (холистский подход). Конкретные виды организмов могут лишь заполнить данную экологическую нишу, если она соответствует их жизненному статусу. Другими словами, жизненный статус - это лишь «запрос» на экологическую нишу, но еще не сама ниша. Таким образом, под экологической нишей следует, по-видимому, понимать структурную единицу экосистемы, характеризующуюся определенной функцией, необходимой для обеспечения жизнеспособности экосистемы, и которая для этого должна быть обязательно заполнена организмами с соответствующей морфологической специализацией.

11.3. Видовая структура экосистемы

Со структурой экологических ниш данной экосистемы тесно связана ее видовая структура, под которой понимается количество видов, образующих экосистему и соотношение их численностей.

Виды, преобладающие по численности особей, имеющие наибольшую значимость для экосистемы, называются доминирующими видами, или доминантами (от латинского слова доминантис - господствующий). Наряду с доминантами в экосистемах выделяют виды - эдификаторы (от латинского слова эдификатор - строитель), которые являются основными строителями среды. Обычно доминирующий вид является одновременно и эдификатором, в наших лесах это обычно ель (еловый лес), сосна (сосновый лес), береза (березовый лес) и т.п. Наряду с многочисленностью деревьев этих видов в соответствующих лесах, они еще определенным образом организуют среду для существования других организмов. Так в еловых лесах почва сильно затемнена и обладает повышенной кислотностью, это во многом определяет видовую структуру елового леса. В то же время под пологом леса может доминировать черника или кислица, которые не являются существенными эдификаторами, но хорошо характеризуют особенности условий в данной экосистеме, в частности степень увлажнения, плодородие почвы и т.д. Поэтому данные виды называют еще индикаторами. По растениям-эдификаторам и растениям-индикаторам называют биогеоценозы, например, ельник-кисличник (кислица указывает на оптимальное увлажнение и богатые почвы), ельник-черничник (менее богатые почвы и несколько избыточное увлажнение), ельник сфагновый (избыточное увлажнение, недостаток минеральных веществ и кислорода в почве) и т.д.

Важнейшим показателем видовой структуры экосистемы является видовое разнообразие. От видового разнообразия зависит, например, насколько успешно будут заполнены все экологические ниши данной экосистемы. Однако количество экологических ниш, как правило, гораздо больше, чем количество видов, населяющих данную экосистему. Как уже отмечалось, многие виды на разных стадиях жизненного цикла занимают разные экологические ниши. Поэтому для экологического разнообразия важно не столько количество видов, сколько видовое богатство, в которое помимо количества видов целесообразно включить еще и количество разных жизненных фаз внутри каждого вида. Кроме этого, нужно учесть еще и генетическое разнообразие, то есть генетическую изменчивость видов, без которой они оказались бы неспособными адаптироваться к изменяющейся среде. Большое значение для заполнения экологических ниш имеет и «поведенческое разнообразие», зависящее:

  • от сложности организации организмов,
  • их способности формировать в природе разного рода структуры (строить гнезда, объединяться в стаи, формировать симбиозы и т.п.),
  • гибкости их инстинктов и уровня их психического развития (для высокоорганизованных животных),
  • от наличия разума (достаточно вспомнить, что человек заполняет собой все большее количество экологических ниш).

Все вместе это можно обозначить одним термином - экологическое разнообразие.

Если не принимать в расчет деятельность человека, то можно отметить, что экологическое разнообразие повышает устойчивость экосистем к воздействию неблагоприятных факторов среды. Например, видовое разнообразие обеспечивает дублирование разных функций. Так вид, представленный в данной экосистеме единицами особей, способен в случае гибели широко представленных видов резко увеличить свою численность и занять освободившиеся экологические ниши, сохранив жизнь экосистеме в целом. Этому значительно способствует генетическое разнообразие.

Деятельность человека также способствовала бы устойчивости экосистем, если бы он не возгордился, и не противопоставил себя природе. Присутствие разума дало бы экосистеме защиту даже от таких фатальных разрушителей, как верховые пожары, иногда полностью уничтожающие экосистемы, сопровождая это уничтожение сильной эрозией почвы. Человек, по-видимому, призван был быть мудрым правителем, потому-то природа, наделив его огромной силой, не сделала его хищником. Человек, в принципе, может жить в гармонии с природой, практически ничего от нее не требуя. Об этом свидетельствует опыт подвижников самых разных религиозных направлений. И вовсе не «золотой миллиард» способна прокормить Земля, а гораздо больше. Только не людей с такими запросами, как наши. Видно что-то не получилось в замысле природы. Или мы пока еще не выросли, и природа, как терпеливая мать, отдает нам все, приносит себя в жертву, в надежде на то, что когда мы созреем, отточим свой ум на собственных ошибках, тогда с избытком вернем ей свою благодарность. Ведь самое главное наше достояние - это способность отдавать тепло своих сердец тем, кто в этом нуждается. И тогда мы не только восстановим, но и приумножим жизнь на планете.

Пока же мы, наоборот, обедняем видовое разнообразие природы. Это всегда приносило человеку кратковременную выгоду. Например, наши предки выжигали целые леса, оставляя вместо древней экосистемы с богатым разнообразием голую равнину, богатую минеральными веществами, на которой ускоренными темпами начинает зарождаться новая экосистема. Но человек направлял этот процесс по-своему, засевая только семена конкретной монокультуры. Природа пыталась увеличить разнообразие, и вместе с данной монокультурой на свет появлялось разнотравье, но человек всячески боролся с этими «сорняками», поддерживая бедноту разнообразия, потому что это позволяло получить гораздо большие урожаи.

Подобные антропогенные воздействия на природу, сопровождающиеся снижением разнообразия видов, особенно сильны в наше время. Помимо непосредственного отстрела животных, промысла рыб, рубки деревьев, каждый год из природы «изымается» огромное количество площадей под дороги, города, рудники и т.п. к этому можно добавить и то, что многие земли после «интенсивного сельского хозяйства» становятся пустынями. Все это способствует уменьшению разнообразия, так что количество видов растений и животных неуклонно сокращается прогрессирующими темпами.

В природе разнообразие видов накапливается за тысячи и даже миллионы лет. Огромную роль в видообразовании играют экологические ниши. Замечено, что видовое разнообразие в данной экосистеме зависит от ее возраста. По мере развития экосистемы видовое разнообразие сначала увеличивается, но после достижения зрелости системы оно стабилизируется или даже уменьшается. Однако подобная динамика характерна в основном для северных лесов и учитывает лишь относительно короткие периоды времени (в пределах 100-200 лет). Девственные районы северных лесов, например, сибирской тайги, также не показательны, потому что суровые климатические условия значительно сдерживают экспансию жизни. Наиболее богаты видами тропические районы планеты. Именно здесь, в наиболее благоприятных для жизни и относительно стабильных условиях, сформировалось наибольшее количество видов планеты. Достаточно сказать, что практически все высшие животные нашей средней полосы имеют африканское происхождение.

Как уже отмечалось, каждая отдельная особь в экосистеме находится под двойным давлением: межвидовая конкуренция способствует сужению экологической ниши, а внутривидовая конкуренция давит в обратном направлении, заставляя данный вид расширять свое жизненное пространство. Так как все экологические ниши уже заняты, то единственный выход – «пойти туда, не знаю куда, и найти то, не знаю что». Другими словами, для снятия противоречия нужно создать новую экологическую нишу с заранее неизвестными параметрами, например, найти новый источник пищи. Но его не существует, так как иначе это говорило бы о наличии свободной экологической ниши, чего в девственной природе практически никогда не бывает. На помощь приходит механизм генетической изменчивости видов. Например, спасаясь от давления консументов, автотрофы вынуждены «изобретать» новые способы защиты. Когда это удается, то прессинг со стороны консументов ослабевает, и «новорожденный» вид приобретает некоторое преимущество перед близкородственными видами, поэтому он несколько теснит конкурентов, высвобождая для себя жизненное пространство. Иногда удается отвоевать достаточно много, может быть, даже поставив экосистему на грань потери устойчивости. Однако механизмы изменчивости консументов рано или поздно «нащупают» слабое место нового вида и дадут начало соответствующему виду консументов, вернув в прежнее русло равновесие в среде автотрофов. Все эти изменения постепенно пройдут по всей пищевой цепи, давая начало целой группе новых видов.

Конечно, это только один из возможных примеров. Аналогичные изменения могут возникнуть, например, при внедрении в экосистему какого-то вида из других экосистем, решающего свои внутривидовые проблемы путем миграции, если ему удается потеснить «родные» виды данной экосистемы. К подобным последствиям приводит и деятельность человека, типичным примером является история с кроликами, завезенными в Австралию. Правда, здесь роль хищника взял на себя человек, не дожидаясь, пока природа сама расставит все по местам. Многие «взрывы» видообразования приурочены к всевозможным потрясениям, обрушивающимся на экосистему: ураганы, извержения вулканов, падение метеоритов и т.п. При этом, если экосистема не потеряла своей устойчивости и не включились механизмы деградации, ввиду массовой гибели организмов может освободиться достаточно большое количество экологических ниш, что может дать начало формированию целой мутовки новых видов. Так или иначе, но чем старше экосистема, расположенная в благоприятных для жизни условиях, тем больше видов она успевает сформировать.

Рассмотренные примеры создают впечатление, что видообразование инициируется «снизу», то есть со стороны конкретных особей. Это типично редукционистский подход. С точки зрения холизма инициатором видообразования является экосистема. Именно она в своем эволюционном развитии закрепляет или отсеивает всевозможные мутации, запуская в действие механизмы видообразования. В свою очередь, ее динамика направляется, как правило, со стороны надсистем более высокого порядка. Так самые мощные и коренные перестройки видовых структур экосистем биосферы вызваны климатическими изменениями на планете.

Способность природы увеличивать разнообразие может явиться мощным оружием против человека. Деятельность человека по отношению к природе можно сравнить с потрясением, грозящим погубить жизнь. Такое в истории планеты случалось не однажды, о чем свидетельствуют бедные жизнью прослойки между геологическими слоями, когда жизнь, похоже, на время замирала, а потом взрывоподобно возрождалась, но уже в новых формах. То есть адаптации к подобным потрясениям жизнь уже сформировала. В соответствии с принципом Ле Шателье-Брауна, жизнь всегда пытается компенсировать неблагоприятные воздействия на нее.

Рассмотрим один из механизмов, с помощью которых природа должным образом реагирует на подобные потрясения. Чем интенсивней человек обедняет разнообразие, тем большее количество экологических ниш становится свободными. При этом уменьшается и межвидовая конкуренция, и оставшиеся виды одного трофического уровня замещают исчезнувшие, заполняя освободившиеся ниши. При этом, как правило, действует схема: мелкий сменяет крупного, эволюционно менее организованный сменяет высокоорганизованного, генетически изменчивый сменяет менее изменчивого. Например, копытных в степи могут сменять грызуны, а в некоторых случаях - насекомые (вспомните нашествия саранчи). Исчезающих хищников может заменить крыса.

Особенно ярко этот механизм заметен на популяциях микроорганизмов, возбудителей человеческих болезней. Период деления бактерий, например, может составлять всего несколько часов. У вирусов динамика еще более высокая. Это значит, что видообразование в этой среде может происходить буквально на глазах. Успехи медицины по уничтожению возбудителей болезней свидетельствуют, что на смену «побежденному» виду микроорганизмов, через достаточно короткое время приходит другой, уже адаптированный к действиям препаратов, вызвавших гибель его предшественника.

Таким образом, фармакология никогда не стоит на месте, она вынуждена постоянно совершенствовать медицинские препараты, которые приносят временные победы, но неизбежно стимулируют эволюционный прогресс в мире возбудителей болезней. Причем период времени от появления нового лекарства до соответствующей мутации в мире микроорганизмов все более сокращается и грозит свести на нет саму целесообразность существования фармакологии. Это вызвано тем, что освободившиеся экологические ниши занимают зачастую более примитивные микроорганизмы, чем их предшественники.

Так после изобретения антибиотиков главным врагом человека стали не простейшие грибки и одноклеточные, а вирусы. Есть первые симптомы того, что на смену вирусам грядут ретровирусы - довирусные, более древние формы жизни, строящие свою организацию не на основе молекулы ДНК, а на основе РНК. С ними бороться сложнее. Одним из наиболее известных представителей этой формы жизни является вирус (более правильно ретровирус) СПИДа. За 13 лет до его открытия была предсказана вероятность «гриппоподобного заболевания с высокой летальностью».

Интересно, что анализ путей распространения СПИДа в Африке совпадает с бывшими путями распространения оспы. Но оспу мы победили. Это не значит, что человек избавился от возбудителей болезней. Все экологические ниши должны быть заняты. И если человек с этим не хочет мириться, единственное что он может сотворить - это мощную эволюцию, взрыв разнообразия новых возбудителей болезней, с помощью которых рано или поздно природа установит равновесие в биосфере, нарушенное человеком.

ПОВТОРИМ

  1. Классификация межвидовых взаимосвязей.
  2. Охарактеризовать симбиоз, комменсализм, хищничество и паразитизм, конкуренцию, аменсализм, нейтрализм – как основные виды взаимодействий.
  3. Дать понятие экологической нише.
  4. Пояснить явление параллелизма и конвергенции признаков в теории эволюции.
  5. Пояснить важность видового разнообразия в экосистемах.
  6. Обеднение видового разнообразия экосистем в результате деятельности человека.
  7. Ответные тенденции развития экосистем на сокращение видового разнообразия человеком.

Глава 12

ДИНАМИКА ЭКОСИСТЕМ

Несмотря на то, что многие экологи не склонны относить экосистемы к «сверхорганизмам», между развитием экосистем и развитием живых организмов имеется множество параллелей. Как и любые организмы, экосистемы рождаются, старятся и умирают, точнее, структурно перестраиваются или замещаются другими экосистемами. Выявлена масса закономерностей протекания этих процессов, которые своей повторяемостью свидетельствуют о наличии достаточно однозначных «программ» развития экосистем в том или ином регионе.

На каких носителях «записаны» эти программы? Что является генетическим кодом онтогенеза (индивидуальное развитие) экосистем? Как уже не раз отмечалось, ход развития определяется совокупностью факторов среды. В одинаковых условиях развиваются одинаковые по структуре экосистемы. Это своего рода давление надсистемы на эволюционирующую экосистему (макроуровень). Кроме того, следует учесть и характер законов природы, «зашитых» в формах организации материи, из которых строится экосистема, лежащих в основе всех механизмов природных явлений (микроуровень). Кто-то склонен переоценивать роль надсистемы в эволюции подсистем, считая, что развитие подсистем целиком подчинено требованиям более высокоуровневой организации (холистский подход). Кто-то, наоборот, категорически отрицает роль каких-либо надсистем, сводя всю динамику экосистем к механизмам межвидовых и внутривидовых отношений, генетической изменчивости, к борьбе за выживание и т.п. (редукционистский подход). Ни тот ни другой путь не дает полного понимания происходящих процессов, о чем свидетельствует бесконечный спор между сторонниками обеих концепций (аналогично спору между идеалистами и материалистами в философии).

К счастью, современная наука, похоже, открыла причину своих неудач в понимании мира. Принцип дополнительности находит признание и применение во все более широких областях знания. Только в единстве холизма и редукционизма возможно понимание сути явлений. Каждый подход по-своему прав, но только в их единстве возможно достижение полноты истины.

12.1. Виды динамики экосистем

Любая экосистема постоянно находится в состоянии динамики (изменений), вызванной как изменением факторов среды, то есть внешними возмущениями, так и внутренними процессами. При этом удобно различать циклическую динамику и поступательную. К разряду циклической динамики можно отнести:

  • суточную динамику, связанную с изменением активности растений и животных в течение суток: изменения в фотосинтезе, транспирации (испарение воды с поверхности листьев), у животных это смена периодов активности и сна и т.п.;
  • сезонную динамику (смена периодов вегетации и покоя), связанную с сезонными колебаниями: смена времен года, периодов дождей и засухи, муссонная периодичность и т.п.;
  • многолетнюю цикличность, вызванную, например, периодичностью солнечной активности (период порядка 10-11 лет), или же какими-то другими колебаниями с многолетним периодом, например, цикл Эль-Ниньо, который приводит к усилению ураганов, обрушивающихся на Южную Америку с периодичностью 5…7 лет, и т.п.

Особого внимания заслуживает поступательная динамика экосистем, или развитие. Обычно развитие сопровождается последовательным рядом изменений видовой и трофической структур экосистемы, всей ее организации, что позволяет даже говорить о последовательной смене экосистем, поэтому данный процесс называется сукцессией (от латинского слова сукцессио - преемственность, наследование). В зависимости от причин сукцессии различают

  • экзодинамические (от греческого слова эксо - снаружи) сукцессии, вызванные внешними по отношению к данной экосистеме факторами;
  • эндодинамические (от греческого слова эндон - внутри) сукцессии, вызванные внутренними механизмами экосистемы (в теории управления различают вынужденную и свободную составляющие динамического процесса, которые соответствуют двум видам сукцессии экосистем).

Экзодинамические сукцессии могут быть вызваны изменениями климата, понижением уровня грунтовых вод, подъемом уровня мирового океана и т.п. Такие смены могут длиться столетиями и тысячелетиями. Они связаны в основном с действием механизмов адаптации экосистемы к факторам внешней среды, которые в свою очередь базируются на механизмах адаптации живых организмов экосистемы.

Эндодинамические сукцессии приводятся в действие особыми законами, механизмы которых до сих пор во многом непонятны. Известно, что на любом, даже абсолютно безжизненном, субстрате типа песчаных дюн или затвердевшей лавы, рано или поздно расцветает жизнь. При этом формы жизни, точнее, типы сообществ, в данном пространстве последовательно сменяют друг друга, постепенно усложняясь и увеличивая видовое разнообразие, формируя так называемый сукцессионный ряд, состоящий из последовательных стадий, отмечающих смену одного сообщества другим. Сукцессионный ряд заканчивается стадией зрелости, на которой экосистема изменяется очень мало. Экосистемы на этой стадии называются климаксными (от греческого слова климакс - лестница).

Рис.12.1

Продолжительность сукцессии от зарождения экосистемы до стадии климакса может составлять до сотен и даже до тысяч лет. Столь длительная продолжительность связана в основном с необходимостью накопления питательного вещества в субстрате. Изначально на безжизненном субстрате поселяются так называемые пионерные виды, типа лишайников и корковых водорослей (рис.12.1). За 5…10 лет они несколько обогащают субстрат питательными веществами, формируя зачатки почвы. Затем на этих еще совсем бедных почвах поселяются травы, еще более обогащая почву. Лет через 15 от начала сукцессии на когда-то безжизненном пространстве поселяются первые кустарники, которые постепенно вытесняются лиственными светолюбивыми деревьями, чаще всего березой и осиной, которые характеризуются быстрым ростом. К 50-летнему возрасту в молодом лиственном лесу выделяются наиболее сильные деревья, которые затеняют более слабую поросль, которая погибает, давая возможность поселиться под пологом лиственного леса поросли ели. Ель более теневынослива, под защитой лиственных деревьев она постепенно догоняет их в росте, отвоевывая у них жизненное пространство. Где-то к 70 годам экосистема достигает стадии смешанного елово-лиственного леса. Лиственные деревья к тому времени успевают состариться, и постепенно ель выходит на первый ярус, затеняя и изреживая всю лиственную растительность. К 90 годам данная экосистема достигает стадии климакса, для которой характерно практически полное отсутствие лиственных деревьев, ель становится доминирующим видом-эдификатором, формируя особым образом всю жизнь населяющего данную экосистему сообщества.

Это типичный пример сукцессии, характерный для южной тайги. Как ни странно, в одном и том же регионе практически все сукцессии развиваются по довольно похожим сценариям и заканчиваются в итоге одним и тем же климаксом. Конечно, в зависимости от конкретных особенностей среды возможны некоторые вариации общего сценария, но они не принципиальны. Таким образом, каждый достаточно крупный регион характеризуется своей программой развития экосистем и своим особым климаксом, который в данном смысле называется моноклимаксом. Это еще один аргумент в пользу биополевого механизма координации жизни в биосфере - каждый регион планеты развивается в соответствии с характерной для него программой и имеет свою характерную структуру, призванную обеспечить определенную функцию, закрепленную за данным регионом в едином организме биосферы (или планеты).

Правда, справедливости ради надо сказать, что у автора концепции моноклимакса, американского эколога Клементса, имеется достаточное количество оппонентов. Может быть, это связано с тем, что любая крайне полярная точка зрения всегда оказывается односторонней. Концепция моноклимакса хорошо укладывается в холистский подход, однако сторонники исследования детальных механизмов природных явлений приводят множество примеров, когда в районах с известным моноклимаксом формируются совершенно другие климаксные экосистемы. Например, в южной тайге наряду с еловыми лесами могут формироваться луговые и сосновые климаксные экосистемы. Сторонники моноклимакса склонны рассматривать их как промежуточные стадии, которые рано или поздно обязательно должны прийти к моноклимаксу, если для этого не будет таких препятствий, как, например, вмешательство человека. Так луговые экосистемы, похоже, существуют только за счет регулярного скашивания молодой древесной поросли. Сосновые леса могут возникать и без участия человека, особенно на крайне бедных почвах, типа песчаных и щебнистых почв, куда более требовательная к почвам ель внедриться не может. Однако по мере накопления плодородия почв, ель, как более сильный эдификатор, скорее всего, вытеснит сосну и создаст моноклимаксную экосистему.

Проверить это достаточно сложно, так как подобного рода сукцессии растянуты на тысячи лет. Иногда экологам улыбается удача, и они обнаруживают экосистемы, где можно непосредственно «наблюдать» такие тысячелетние сукцессии. Это позволяет выявить некоторые характерные особенности сукцессионного процесса. Так, например, замечательной природной лабораторией являются дюны у южной оконечности озера Мичиган (США, штат Индиана). Озеро постепенно отступает, оставляя после себя все более молодые песчаные дюны, абсолютно безжизненные, которые постепенно «осваиваются» жизнью. Процесс этот длится уже тысячи лет, поэтому разноудаленные от кромки воды дюны находятся на разных стадиях сукцессии, что позволяет проследить весь ход сукцессионного процесса. Первые поселенцы на дюнах - это прибрежные злаки, ива, песчаная вишня, хлопковое дерево и животные: пауки, кузнечики и т.п. За ними следуют сухие сосновые леса, затем сухие леса из черного дуба, и, наконец, на самых старых дюнах - влажные леса из дуба, бука и клена, для которых характерна мощная богатая гумусом почва, населенная дождевыми червями и улитками. Для достижения климаксного сообщества на дюнах требуется около 1000 лет, что примерно в пять раз больше, чем это требуется при более лучших, чем дюны, исходных условиях.

В зависимости от исходных условий принято различать первичные сукцессии, которые начинаются на абсолютно безжизненных субстратах, например, на дюнах, и вторичные сукцессии, начинающиеся с более благоприятных стартовых условий, например, после пожара, вырубки леса или на заброшенном поле. Вторичные сукцессии могут начинаться с более поздних пионерных видов, например, с трав или кустарников. Так, например, сукцессии на заброшенных полях начинаются с однолетних трав, бывших ранее сорняками. Затем они сменяются многолетними травами, кустарниками и деревьями. Ввиду большего исходного плодородия почвы такие сукцессии достигают климакса гораздо быстрее, чем в случаях первичной сукцессии. В последнее время для биосферы характерны именно вторичные сукцессии, что связано главным образом с деятельностью человека.

Вмешательство человека в природу ведет зачастую также к явлениям дигрессии (от латинского слова дигрессион – отклонение), когда климакс экосистемы (устойчивое равновесное состояние) достигается на более ранних стадиях сукцессии, вследствие чего экосистемы значительно упрощаются. В отличие от моноклимакса эта стадия называется катаценозом (от греческого слова ката – вниз, против). Типичным примером является пастбищная дигрессия, когда вместо леса, на данном пространстве формируется обширная луговая экосистема. Чем дальше отступает пояс лесов, тем реже достигают данного пространства семена кустарников и деревьев. Регулярный выпас скота не дает развиться молодым деревьям. Постепенно на этом месте вдали от лесов формируется особая зона, богатая гумусом, где никогда (точнее, очень долго) не вырастет лес, даже если человек оставит этот район. Так, вероятно, формировались степи, на которых древние кочевые племена пасли свои табуны и стада. Попытки возобновить леса в степной зоне требуют немалых усилий, так как помимо колонии деревьев, лес характеризуется особой структурой симбиотических связей, особенно между конями деревьев и грибницей (микроза). Поэтому лес может постепенно «наступать» на степь. Но, чтобы лес самопроизвольно возник посреди степи - случай практически невозможный. Для того, чтобы лес заменил степи после ухода человека потребуются, вероятно, десятки тысяч лет.

Следует различать автотрофные и гетеротрофные сукцессии. Все описанные выше примеры относятся к автотрофным сукцессиям, так как они протекают в экосистемах, где центральным звеном является растительность (фитоценоз). Динамика гетеротрофов целиком подчинена динамике автотрофов - смена животных сообществ зависит от смены растительных сообществ. Автотрофные сукцессии могут длиться теоретически вечно, так как они постоянно подпитываются энергией Солнца.

В гетеротрофных сукцессиях участвуют только животные (гетеротрофы, консументы). В этот процесс могут быть также вовлечены и мертвые растения, например, поваленные деревья, пни и т.п., которые являются, как правило, источником энергии для гетеротрофной сукцессии. Примером такой сукцессии может служить разрушение поваленного дерева. Первыми на мертвом или ослабленном дереве поселяются насекомые-короеды, которые повреждают кору, давая возможность проникнуть в места повреждений спорам грибов. Грибы-пионеры размягчают древесину, окрашивая ее в разные цвета. Это облегчает появление следующей волны насекомых, которые питаются уже древесиной (ксилофаги). В поврежденной ими древесине развиваются грибы-деструкторы, способствующие появлению мягкой гнили. Затем их сменяют грибы-гумификаторы, превращающие гнилую древесину в гумус. На всех стадиях гетеротрофной сукцессии также идет соответствующая смена видов микроорганизмов. В конечном итоге все органическое вещество разлагается до конечных продуктов: минеральных веществ и углекислого газа. Аналогичные процессы идут и при разложении трупов животных, а также в экскрементах животных, в лесной подстилке, в загрязненных водах и т.д.

Гетеротрофная сукцессия предполагает обязательное наличие определенного запаса энергии, аккумулированной в органическом веществе. Она заканчивается вместе с исчерпанием ресурса энергии, то есть после полного разложения исходного субстрата. После этого экосистема перестает существовать. То есть для нее не определено понятие климакса. В отличие от биогеоценозов, такие экосистемы смертны.

Гетеротрофная сукцессия хорошо ассоциируется с обществом, зависящим от ископаемого горючего. Динамика гетеротрофной сукцессии описывается кривой с быстрым ростом числа организмов, пока не будет достигнут некоторый максимум, затем количество организмов постепенно уменьшается по мере исчерпания энергетического ресурса (рис.12.2).

Рис.12.2

Какого-то устойчивого состояния (климакса) добиться не удается. Такое общество быстро прогрессирует, но, тем не менее, оно изначально обречено на вымирание. Мы уже «сняли сливки» с большинства месторождений. Дальнейшая их эксплуатация со временем будет требовать все больших вложений энергии. Поэтому эффективность добычи полезных ископаемых будет неуклонно падать. Вместе с этим будет падать и жизнеспособность цивилизации, построенной на гетеротрофной сукцессии, если, конечно, еще раньше не произойдет катастрофических изменений, например, массового психоза - людям свойственно искать виновников своих проблем. Поэтому мы огромное количество усилий направляем на поиск новых источников энергии. Но даже если мы научимся управлять термоядерным синтезом, это не изменит нашей деструктивной сущности. Мы только несколько отодвинем в будущее развязку, как это мы делали уже не раз, но стабилизировать гетеротрофную сукцессию нам не удастся. Это даже если не учитывать, что в случае успеха в области энергетики перегрев биосферы неизбежен.

12.2. Закономерности сукцессионного процесса

В любом сукцессионном процессе можно выявить ряд закономерностей:

1. Изменение энергетики.

На ранних стадиях автотрофной сукцессии скорость образования валовой первичной продукции (П) превышает скорость дыхания сообщества (Д) (расходы на жизнеобеспечение плюс потребление гетеротрофами), то есть П/Д > 1. В результате биомасса (Б) будет постоянно накапливаться. Поэтому по мере сукцессии и первичная продуктивность и расходы на дыхание сообщества растут, но при этом отношение П/Д стремится к балансу П/Д = 1, характерному для стадии климакса. На этой стадии вся первичная продукция расходуется на дыхание и потребление гетеротрофами. Это значит, что на стадии климакса чистая продукция экосистемы теоретически равна нулю, а количество биомассы максимально.

Гетеротрофная сукцессия, наоборот, начинается с отношения П/Д < 1, но также по мере развития сукцессии стремится к П/Д = 1. В обоих случаях наблюдается тенденция к равновесию между связанной энергией и энергией, затрачиваемой на поддержание биомассы. Поэтому отношение П/Д = 1 может служить показателем зрелости системы.

2. Изменение разнообразия.

На ранних стадиях сукцессии видовое разнообразие незначительно, но по мере развития сукцессии, оно нарастает, меняется видовой состав сообщества, усложняются и удлиняются жизненные циклы, увеличивается величина организмов, развиваются взаимовыгодные симбиозы, усложняется трофическая структура экосистемы. Однако пик разнообразия приходится вовсе не на стадию климакса, а либо на середину сукцессионного ряда, либо ближе к климаксу.

На ранних стадиях сукцессии преобладают виды с высокой скоростью размножения и роста, но низкой способностью к индивидуальному выживанию. На стадии равновесия давление естественного отбора благоприятствует видам с низкой скоростью роста, но большей способностью к выживанию. Таким образом, в процессе сукцессии происходит, по-видимому, переход от количества продукции к качеству, сопровождаемый генетическими изменениями, охватывающими всю биоту.

3. Совершенствование круговоротов биогенных элементов.

По мере усложнения трофической структуры экосистемы увеличивается время оборота биогенных веществ. Кроме того, циклы многих биогенных элементов, таких как азот, фосфор и кальций, замыкаются в пределах данной экосистемы. Все это способствует накоплению запаса биогенных элементов. То есть в процессе сукцессии количество этих элементов на входе оказывается большим, чем их количество на выходе. В зрелой климаксной системе вход и выход биогенных элементов почти уравновешиваются, однако некоторое накопление все же происходит. Таким образом, равновесная система более независима от внешних поступлений вещества.

4. Относительность неизменности климаксных стадий.

После достижения климакса динамические процессы вовсе не прекращаются, но динамика экосистемы изменяет свой характер. Она становится более замедленной. Одни организмы сменяют другие, происходит внедрение в экосистему новых видов, формируются новые экологические ниши, совершенствуются адаптации, происходит образование новых видов, формируются новые симбиозы и т.д. Особенно явно эти процессы можно наблюдать в регионах с относительно стабильной средой. Возраст экосистем в этих районах может исчисляться миллионами лет, сложность их организации превышает сложность организации любого организма.

Однако очень большое влияние на динамику климаксных систем оказывают внешние воздействия, которые способны отбросить всю экосистему или отдельные ее районы на более ранние стадии сукцессии. Это могут быть пожары, сильные бури, наводнения, горные лавины и другие природные катаклизмы.

Если вы войдете в густой еловый лес, то увидите, что под пологом леса царит полумрак. В нижнем ярусе леса многие молодые ели погибают раньше, чем успевают пробиться в верхний ярус. Нижние ветви старых деревьев также давно посохли. Многие старые деревья ослаблены болезнями, много деревьев, поваленных сильным ветром. Если в какое-то из деревьев ударит молния, то пожар в таком лесу неминуем. Обычно в лесном массиве области, достигшие стадии климакса чередуются с более молодыми областями (мозаичный климакс), которые более устойчивы к пожарам, опасными для них разве что только в наиболее засушливые годы. Пожар, как правило, выжигает именно области, достигшие климакса, где преобладают старые и сухие деревья. В образовавшиеся прогалы вторгаются виды, свойственные ранним стадиям сукцессии. Одновременно здесь развивается поросль из находящихся в подстилке семян. То же самое можно сказать и о действии сильных ураганов.

В результате действия подобных периодических возмущений лесной массив находится в постоянной динамике, которую можно назвать циклической сукцессией, или циклическим климаксом, или мозаичным климаксом. Взгляд сверху на такой лес позволяет выявить области, находящиеся на разных стадиях сукцессии, которые со временем постепенно развиваются по направлению к климаксу, а затем попеременно возвращаются в одно из промежуточных состояний. В таком лесном массиве в любой момент времени обитает множество самых разнообразных видов растений и животных, характерных для разных стадий сукцессии.

В настоящее время роль наиболее сильного катастрофического фактора, способствующего омоложению экосистем, выполняет человек, регулярно вырубающий часть леса на свои хозяйственные нужды. Лесники обычно следят за ходом вырубки, определяя участки, наиболее удачные с точки зрения наименьшего ущерба для леса. В некотором смысле это даже играет положительную роль. Правда, в отличие от естественных факторов, например пожара, с территории леса удаляется солидная часть биомассы, а значит, биогенные элементы безвозвратно изымаются из экосистемы. Поэтому вторичная сукцессия начинается с более ранних этапов и лес вынужден заново наращивать плодородие почвы. Однако темпы сукцессии не укладываются в ритм современной цивилизации. Лес еще не успевает достигнуть стадии зрелости, но уже приходят лесорубы и требуют от него «дань». В результате почвы постепенно истощаются. Это в лучшем случае. В худшем случае лес сводится полностью и больше уже не восстанавливается, превращаясь в поля, луга, болота, или пустыни.

Интересное влияние на ход сукцессии оказывает постоянный приток биогенных элементов в экосистему, неважно естественным или антропогенным путем. Это может быть промышленный сброс в озеро биогенных элементов, или же естественный приток вещества, принесенного реками с водосборного бассейна, в экосистемах суши это может быть внесение удобрений и т.п. В сукцессионном отношении такая экосистема отбрасывается назад к более молодому состоянию с наиболее интенсивной динамикой. В агроценозах, например, это позволяет искусственно поддерживать господство однолетних и двулетних трав. Однако, если приток биогенных веществ превышает влияние на сукцессию внутренних процессов, то экосистема не только не в состоянии как-то стабилизироваться, но и «угасает», то есть заполняется органическим веществом, которое вместо положительного фактора становится загрязнителем. Например в озере, в которое сбрасываются промышленные органические отходы, происходит активизация и рост количества микроорганизмов, потребляющих органику, при этом растут их затраты на дыхание, то есть потребление . Если это потребление существенно превысит поступление в процессе фотосинтеза, то в озере возникает дефицит кислорода, а потом вообще формируются анаэробные условия, в которых гибнет сначала рыба, а потом все более мелкие живые организмы, вплоть до тех микроорганизмов, по чьей «вине» это произошло. В результате продолжающееся поступление в озеро промышленных отходов постепенно превращает его в болото, где могут существовать только анаэробные бактерии.

Подводя итог разговору о закономерностях скцессионного процесса, необходимо ответить на вопрос: в чем причина сукцессий, почему одни виды в определенной последовательности замещают другие, почему климаксные экосистемы в данной местности так похожи друг на друга, кто управляет всем этим?

В качестве ответа на этот вопрос можно привести две теории:

  • виды ранних сукцессионных стадий меняют условия существования и подготавливают почву для последующих поселенцев;
  • первые виды противостоят вторжению других видов (ингибируют их) и сохраняются до тех пор, пока не будут вытесненными в результате конкуренции, выедания гетеротрофами, самоотравления продуктами своей жизнедеятельности и т.п.

Каждая из моделей имеет свои достоинства и недостатки. Так первая модель хорошо объясняет первичные сукцессии, но плохо работает в случае вторичных сукцессий. Например, почему бы после пожара не развиться сразу же молодой поросли ели. Опыт показывает, что подобные эксперименты выращивания климаксных лесов, минуя предыдущие стадии сукцессии, обречены на неудачу. Попытки объяснить это тем, что молодые ели требуют затенения для нормального роста, не выдерживает критики, так как в городских условиях, например, ель хорошо развивается и на открытом месте. Вторая модель также имеет свои слабые места. Например, внедрение ели под полог лиственного леса происходит как раз в тот момент, когда почвенные условия наиболее благоприятны для лиственных деревьев.

С точки зрения холизма, сукцессия является частью процесса развития экосистемы как единого целого. Например, Клементс, развивая теорию моноклимакса, считал, что сообщество в своем развитии повторяет последовательные стадии развития экосистемы, как своеобразного организма (биогенетический закон). По сути дела, это генетическая теория сукцессии. Сейчас эта теория сильно модифицирована, но не утратила своей актуальности.

Какими бы ни были конкретные механизмы сукцессии, в любом случае этот процесс подчиняется второму закону термодинамики, который в данном случае по предложению Ю. Голдсмита читается как второй закон экодинамики: любая экосистема стремится к климаксу, как состоянию с наибольшим значением энтропии. Кстати, первый закон экодинамики Ю. Голдсмита по аналогии с первым законом термодинамики называется законом сохранения структуры биосферы. Действительно, именно климакс, а точнее, даже мозаичный климакс, отвечает условию наличия в системе наибольшей неопределенности, накопленной в видовом разнообразии, в сложности и запутанности трофической структуры, в огромном количестве взаимоотношений организмов друг с другом и с факторами среды и т.п. При прочих равных условиях более сложные экосистемы успешно конкурируют с более простыми и замещают их. Они также оказываются более независимыми от внешней среды как в отношении потоков энергии, так и в отношении поступлений вещества. Это говорит о том, что такие экосистемы имеют меньше противоречий с окружающей средой, то есть с надсистемой, что говорит о их гармоничности.

Конечно, реализация второго закона термодинамики в данном смысле имеет свои особые механизмы, которые пытаются вскрыть сторонники редукционизма и выдать их за причины сукцессий. Однако ни одна такая теория не способна охватить всего многообразия явлений сукцессии. Истина, вероятно, как всегда лежит в дополнительности редукционистского и холистского подходов. Таков один из самых главных законов природы.

12.3. Стабильность и устойчивость экосистем

Важнейшими показателями динамики экосистем являются устойчивость и стабильность. Определение устойчивости экосистем уже давалось - это способность экосистемы возвращаться в исходное состояние после снятия внешнего воздействия, выведшего ее из равновесия. Под стабильностью экосистемы понимают ее способность сохранять свою структуру и функциональные свойства при воздействии на нее внешних факторов. Иногда понятия устойчивость и стабильность рассматриваются как синонимы, но тогда следует различать два вида устойчивости: резидентная устойчивость (стабильность) - способность оставаться в устойчивом (равновесном) состоянии под нагрузкой, и упругая устойчивость (собственно устойчивость) - способность быстро восстанавливаться при снятии нагрузки. В разных терминах имеются различные смысловые оттенки, которые нужно учитывать.

Системы с высокой резидентной устойчивостью способны воспринимать значительные воздействия, не изменяя существенно своей структуры, то есть практически не выходя за пределы равновесного состояния. Поэтому понятие упругой устойчивости для них не определено (если система не выходила за пределы равновесия, то как можно говорить о возвращении в равновесное состояние после снятия возмущения). Если внешнее воздействие превышает определенные критические значения, то такая система обычно разрушается. В технике подобное качество называется жесткостью. Предельные значения внешних воздействий, которые система способна выдержать без разрушения соответствуют запасу жесткости. Когда говорят о высокой резидентной устойчивости, то имеется в виду именно высокий запас жесткости данной системы. Это несколько отличается от понятия высокой стабильности, так как здесь в первую очередь внимание обращается на неизменность структуры. Тундра, например, обладает высокой стабильностью, но она очень ранима, у нее малый запас жесткости, то есть малая резидентная устойчивость. Экосистему тундры очень легко разрушить. Достаточно проехать вездеходу. Колеи, которые он оставляют за собой, сохраняются десятилетиями. Такие экосистемы по аналогии с техникой можно назвать хрупкими.

Системы с малой резидентной устойчивостью для нормального существования должны обладать высокой упругой устойчивостью. Они более чувствительны к внешним возмущениям, под действием которых они как бы «прогибаются», частично деформируя свою структуру, но после снятия или ослабления внешних воздействий быстро возвращаются в исходное равновесное состояние. При превышении пороговых воздействий такая система теряет устойчивость, то есть все дальше удаляется от состояния равновесия. Диапазон воздействий, которые может выдержать система без разрушения, в технике соответствует запасу упругости. Таким образом, степень упругой устойчивости можно оценить как упругостью, определяющей степень сопротивления внешнему воздействию и скорость возврата в исходное состояние после снятия воздействия, так и запасом упругости. В отличие от упругих систем, пластичные системы после снятия внешнего воздействия не возвращаются в исходное состояние, а приходят к какому-то другому равновесному состоянию. Так согласно точке зрения оппонентов теории моноклимакса, для экосистем характерно не одно, а несколько состояний равновесия (климакса). Таким образом, для пластичных экосистем характерна малая упругая и малая резидентная устойчивость.

Похоже на то, что резидентная и упругая устойчивости взаимоисключают друг друга, точнее, экосистеме трудно развивать оба вида устойчивости. Например, одни леса состоят из деревьев с толстой корой, обладающих повышенной резидентной устойчивостью к пожарам. Но если такой лес все-таки сгорит, то его восстановление, как правило, крайне проблематично. Напротив, многие леса очень часто горят (низкая резидентная устойчивость), но быстро восстанавливаются (высокая упругая устойчивость). Ориентация экосистем на один из видов устойчивости определяется, как правило, изменчивостью среды: при стабильных условиях экосистемы склонны к более высокой резидентной устойчивости, при изменчивых условиях предпочтение отдается упругой устойчивости.

Рис.12.3

Природа обоих видов устойчивости состоит в наличии в экосистеме разного рода обратных связей. В основном это отрицательные обратные связи, которые направлены на стабилизацию параметров экосистемы, возвращая их значения к какой-то изначально заданной величине. Однако немаловажную роль играют и положительные обратные связи, усиливающие благоприятные для системы изменения, например, в плане роста и выживаемости организмов. Однако деятельность положительных обратных связей обязательно должна быть ограничена соответствующими отрицательными обратными связями, иначе ничем не контролируемая экспансия жизни может привести экосистему к гибели. В обоих случаях схема управления выглядит одинаково (рис.25).

Механизмы реализации обратных связей называются механизмами гомеостаза (от греческих слов homoios - подобный, одинаковый и ststis - состояние). Обычно они достаточно сложны, так как их компоненты связаны в единые информационные сети факторами среды, а также различными физическими и химическими агентами – «посредниками», подобно тому, как нервная или гормональная системы связывают в одно целое части организма. Примером может служить сильная реакция организмов в экосистеме на слабые концентрации некоторых веществ. С энергетической точки зрения можно выделить одну закономерность, о которой уже говорилось ранее: обладатели высококачественной энергии, оставаясь в меньшинстве, управляют большими потоками энергии более низкого качества. Например, хищники управляют численностью травоядных животных. В то же время активность хищников и их численность управляется численностью их жертв по цепи обратной связи. По этой цепи на более высококачественный энергетический уровень (к хищникам) подается небольшая часть низкокачественной энергии - хищники уничтожают не всех жертв, а лишь небольшой их процент. Причем влияние этой части энергии на управление всей системой существенно усиливается деятельностью хищников.

Помимо отрицательной обратной связи устойчивость экосистемы может быть обеспечена избыточностью компонентов. Например, если в системе имеется несколько автотрофов, каждый из которых характеризуется своим температурным диапазоном функционирования, то скорость фотосинтеза сообщества в целом может оставаться неизменной, несмотря на колебания температуры. То же самое можно сказать и про гетеротрофов. Поэтому видовое разнообразие способствует повышению устойчивости экосистем (закон Эшби). При этом как в случае резидентной, так и в случае упругой устойчивости расширяется диапазон пороговых воздействий, которые способны выдержать экосистема без разрушения (запас жесткости и запас упругости).

Так, например, для тундры с ее бедным разнообразием характерны такие проявления низкой упругой устойчивости, как периодические резкие увеличения численности мелких грызунов - леммингов. О малой резидентной устойчивости тундры мы уже говорили. Экосистема тундры очень ранима и очень долго восстанавливается. В то же время тропические леса с их богатым разнообразием способны достаточно быстро залечивать свои раны. Легенды повествуют о целых городах, поглощенных джунглями, население которых не могло справиться с их натиском и вынуждено было уходить в другие районы.

Если разные стадии сукцессии экосистемы считать квазистатическими состояниями, то здесь можно отметить ряд закономерностей. На первых стадиях сукцессии экосистемы способны очень быстро возобновляться. Например, мы можем распахать по весне все поле, но уже к осени оно будет укрыто травами. Это говорит о достаточно высокой упругой устойчивости на начальных стадиях сукцессии, которая по мере движения к климаксу постоянно снижается. То есть на каждой следующей стадии для восстановления исходного состояния требуется гораздо больше времени. Климаксный лес характеризуется очень малой упругой устойчивостью.

Для резидентной устойчивости тенденция обратная. На первых стадиях сукцессии резидентная устойчивость остается достаточно невысокой - системы очень чувствительны к внешним воздействиям, откликаясь на них повышенным динамизмом. Например, заросли кустарника или молодой березняк может быть легко поврежден вездеходом (малая резидентная устойчивость), однако вторичная сукцессия достаточно быстро «затянет» повреждение (высокая упругая устойчивость). По мере роста видового разнообразия резидентная устойчивость непрерывно растет. При этом растет одновременно и жесткость системы (стабильность) и запас жесткости (взрослый лес вездеход так просто не одолеет). Однако по мере приближения к климаксу, как уже было показано, экосистема становится более чувствительна к действию некоторых катастрофических факторов среды (бури, пожары и т.п.). То есть на фоне продолжающегося роста стабильности (жесткости), запас жесткости экосистемы при движении ее к климаксу, по-видимому, начинает уменьшаться, что можно объяснить преобладанием в ней старых деревьев. Это говорит о том, что она становится все более хрупкой.

Как уже было сказано, для реальных лесов характерен, как правило, мозаичный климакс. По-видимому, именно такой лес имеет наилучший комплекс показателей устойчивости и стабильности. Периодические сильные воздействия на него в целом лес выдерживает достаточно жестко, жертвуя лишь наиболее старыми и хрупкими участками, которые, даже если они превращаются после пожара в абсолютно пустые пространства, в условиях непосредственной близости неповрежденного леса восстанавливаются сравнительно быстро.

Примером абсолютно нежизнеспособных экосистем являются агроценозы, создаваемы человеком из однолетних и двулетних культурных растений, то есть продукты сельскохозяйственной деятельности человека. Многие экологи даже не считают их экосистемами, хотя есть все основания считать их экосистемами с искусственно поддерживаемыми начальными стадиями сукцессии. Заброшенные поля сразу же втягиваются в естественный ход сукцессии. Что касается возделываемых полей, то они существуют только за счет человека. Свидетельством их нежизнеспособности является крайне малая устойчивость как упругая, так и резидентная, что является следствием очень скудного видового разнообразия как флоры (все сорняки подавляются гербицидами), так и фауны («вредных» насекомых мы травим пестицидами). Малая упругая устойчивость проявляется, например, в резких вспышках численности конкретных видов вредителей. Подобные вспышки в естественной природе наблюдаются очень редко. Малая резидентная устойчивость проявляется, например, в повышенной чувствительности посевов к природным условиям, таким как град, засуха, повышенное количество осадков и т.д.

Осваивая все большие территории планеты, человек продолжает стратегию обеднения видового разнообразия. Этим он все более подрывает способность природы сопротивляться внешним воздействиям и возвращаться в исходное состояние. Как знать, может быть, роковая черта, за которой начинаются необратимые изменения, уже пройдена. Это значит, что биосфера никогда больше не придет к исходному состоянию. Это значит, что мы вступили на путь глобальных перемен, которые постепенно изменят жизнь на Земле самым коренным образом. Будет ли в этом мире место человеку?

ПОВТОРИМ

  1. Охарактеризовать циклическую и поступательную динамику экосистем.
  2. Экзодинамические и эндодинамические сукцессии.
  3. Климаксные и моноклимаксные экосистемы.
  4. Первичная и вторичная, автотрофные и гетеротрофные сукцессии.
  5. Закономерности сукцессионного процесса.
  6. Влияние внешних, в том числе и антропогенных воздействий на динамику климаксных систем.
  7. Охарактеризовать виды устойчивости экосистем.

Глава 13

ПОПУЛЯЦИИ В ЭКОСИСТЕМЕ

Под популяцией можно понимать любую достаточно обособленную группу организмов одного вида, занимающую определенное пространство и функционирующую как часть экосистемы.

Различные виды организмов представлены в экосистеме именно популяциями. Поэтому популяцию можно рассматривать как систему, стоящую на иерархической лестнице природных систем между уровнем отдельных организмов и уровнем экосистем. Поэтому в организации популяций черты единого организма зачастую просматриваются более явно, чем в экосистемах. Правда, если экосистемы могут существовать относительно обособленно, как отдельные организмы, например экосистемы островов, то популяции в изолированном виде нигде не встречаются. Это своего рода функциональные органы экосистем, тесно взаимодействующие друг с другом, обеспечивая тем самым жизнедеятельность экосистемы. Хотя, по большому счету, и жизнь отдельных организмов лишена смысла вне тесной связи этих организмов друг с другом.

Популяция считается базовой единицей экологии. Если холистское направление в экологии на первое место ставит понятие экосистемы, рассматривая ее как единое целое, то редукционистское направление наибольшее внимание уделяет именно популяциям, считая, что на этом уровне лежат все механизмы экосистемной динамики. Именно на уровне популяций происходят основные адаптации и эволюционные процессы, здесь рождается видовое многообразие природы, формируются межвидовые и внутривидовые взаимодействия и т.п.

Для человека знание законов популяционной динамики имеет одно из первостепенных значений, так как эти законы применимы и к динамике человеческих популяций. Особую важность эти знания приобретают в связи с демографической проблемой, являющейся одним из основных компонентов надвигающейся глобальной экологической катастрофы. Здесь же лежат ответы на вопросы о причинах нашей воинственности, стремления к безудержной экспансии планеты и даже космоса, наших конфликтов с природой. Распространяя законы популяционной динамики на человеческое общество, мы можем прогнозировать (имеется в виду именно научный прогноз, а не предсказание или гадание), что может ожидать нас в будущем. Правда, человек - это существо особое, в некоторой степени обособившееся от природы, обладающее мощными средствами воздействия на среду. Поэтому далеко идущие выводы могут быть абсолютно неправильными, как, например, неправильными оказались прогнозы многих поколений демографов прошлого, регулярно предсказывавших нам скорую стабилизацию численности населения планеты, чего до сих пор не произошло. Тем не менее, основные тенденции мы представляем себе достаточно ясно. И выводы из анализа этих тенденций пока что говорят не в нашу пользу.

13.1. Динамика популяций

Прежде, чем говорить о динамике, рассмотрим ряд свойств, которыми характеризуется популяция. Эти свойства можно разделить на биологические и групповые. Биологические свойства присущи как популяции в целом, так и составляющим ее организмам. Они характеризуют жизненный цикл популяции: популяция, так же как и отдельный организм, растет, дифференцируется и поддерживает сама себя, имеет определенную организацию и структуру. Групповые свойства присущи только группе в целом. Как правило, это статистические параметры, такие как плотность, рождаемость, смертность, возрастная структура. В числе прочего, эти параметры хорошо характеризуют динамику популяции, то есть изменение во времени ее численности, структуры и т.п.

Плотность популяции выражается количеством особей или биомассой на единице пространства, например, число деревьев на 1 га или масса планктона в 1 . На разных стадиях жизненного цикла плотность может существенно колебаться. Это напрямую связано с двумя другими показателями популяции: рождаемостью и смертностью.

Рождаемость - это способность популяции к увеличению численности, независимо от того, происходит ли это путем откладывания яиц или путем деления, или почкования, или прорастания из семени, или как-то иначе. Наиболее показательна удельная рождаемость, определяемая как количество особей, появившихся в единицу времени на одну особь в популяции (в демографии расчет ведется на одну женщину репродуктивного возраста). Реальная рождаемость в значительной степени зависит от факторов среды, поэтому она всегда меньше максимальной рождаемости, под которой понимают теоретический максимум рождаемости, определяемый только физиологией особей при оптимальных значениях всех факторов среды.

Смертность характеризует гибель особей в популяции и выражается числом особей, погибших в единицу времени. Удельная смертность характеризует уровень смертности для определенной группы особей, например, количество смертей за месяц на тысячу особей. Смертность также зависит от факторов среды и бывает обычно значительно выше минимальной смертности при идеальных условиях среды, которая определяется физиологией данного вида организмов - даже в идеальных условиях особи будут умирать от старости.

Выживаемость есть параметр, обратный смертности. Если смертность на N особей обозначить через М, то выживаемость определяется разностью N - M. Большой интерес представляют кривые выживания особей популяции в зависимости от их возраста.

Различают три общих типа кривых выживания (рис.13.1). Выпуклая кривая 1 характеризует относительно низкую смертность на протяжении почти всего жизненного цикла популяции. К концу жизненного цикла смертность значительно возрастает. Такая кривая характерна для популяций, в которых основной акцент при размножении делается не на количество новорожденных особей, а на повышенную заботу о молодом поколении. Такого рода кривая характерна для многих высших животных, а также и для человека. Вогнутая кривая 2 характеризует повышенную смертность на ранних стадиях жизненного цикла, которая снижается, когда особи «входят в силу», достигая определенного возраста. Такие кривые типичны для низших организмов и растений. Например, смертность среди молодых дубов и прорастающих желудей особенно велика, но когда дубы достигают определенных размеров, их смертность резко снижается. Аналогичные кривые характерны для рыб, где смертность среди мальков обычно гораздо выше, чем смертность среди взрослых особей. Повышенная смертность в раннем возрасте в таких случаях компенсируется повышенным количеством семян, икринок, яиц и т.п. Промежуточные типы кривой выживания колеблются обычно вокруг средней линии 3. Одним из примеров может служить ступенчатая кривая 4, характерная для видов, у которых смертность значительно меняется на разных стадиях жизненного цикла. Примером могут служить некоторые виды насекомых, жизненный цикл которых проходит последовательно через несколько стадий: яйцо, личинка, куколка, взрослое насекомое.

На основе кривых выживания можно уже сделать вывод о возрастной структуре популяции, которая определяет соотношение в ней разных возрастных групп. Знание возрастной структуры определяет возможность прогнозирования динамики численности популяции. Так, например, в популяциях, в которых ожидается быстрый рост численности, преобладают молодые особи. Такие популяции называют внедряющимися, или пионерными. Такое состояние популяции может быть вызвано освобождением экологических ниш (например, в связи с деятельностью человека), внедрением новых видов в экосистемы, где у них нет соответствующего хищника, причиной может быть также малая устойчивость экосистем и т.п. Если же в возрастной структуре достаточно велика доля старых особей, то в ближайшем будущем следует ожидать снижения численности популяции. Такие популяции называются регрессивными, или вымирающими. Наибольшей жизнеспособностью и стабильностью отличаются популяции, в которых возрастная структура более выровнена. Такие популяции называются нормальными.

Рис.13.1

Особенно интересно приложение данной закономерности к человеческому обществу (рис.13.2). Сравнение возрастной структуры, например, в Швеции и Коста-Рике, красноречиво говорят об ожидаемой динамике численности в этих странах, что подтверждается фактическими данными: в Латинской Америке численность населения растет угрожающими темпами. Известно, что численность населения Латинской Америки по сравнению с 1900 годом возросла в 8,5 раз. В Европе ситуация более стабильная, однако наблюдается уменьшение численности коренного населения, некоторый прирост численности наблюдается лишь за счет эмигрантов.

Однако наибольшее значение для экологии имеют не сами показатели плотности или численности популяции или ее возрастная структура, а скорости, с которыми меняются все эти показатели.

Если среда не лимитирует популяцию, то динамика численности популяции описывается дифференциальным уравнением: dN/dt = rN (скорость роста численности пропорциональна числу особей), которое имеет решение в виде: . Здесь - численность в начальный момент времени, t - время, r - коэффициент роста популяции, определяемый как разность между удельной рождаемостью b (в расчете на одну особь) и удельной смертностью d в данный момент времени, то есть r = b - d. Максимально возможное значение коэффициента роста популяции , достигаемое при наиболее благоприятных условиях среды, называется биотическим потенциалом популяции. Обычно биотический потенциал тем выше, чем ниже уровень организации организмов. Так дрожжевые клетки, размножаясь делением, при условии реализации биотического потенциала способны освоить весь земной шар за несколько часов. Крупным организмам с более низким потенциалом для этого потребовалось бы несколько десятилетий или даже столетий.

Рис.13.2

Следует отметить, что человек сейчас находится в условиях, когда его коэффициент роста близок к биотическому потенциалу. В 1968 году время удвоения численности людей составляло 35 лет, однако в некоторых странах этот период был еще меньше, и с течением времени он неуклонно уменьшается. То есть мы все ближе к некоторому минимальному значению периода удвоения численности, ниже которого мы не сможем переступить по чисто физиологическим причинам, это и будет, вероятно, соответствовать полной реализации нашего биотического потенциала. Понятно, что природа не выдержит такого натиска.

В соответствии с решением уравнения динамики численности популяции можно построить так называемую кривую роста популяции (рис.13.3). Из уравнения видно, что это экспонента, поэтому такую кривую называют экспоненциальной, или J-образной.

Особенность J-образной динамики в том, что рано или поздно относительно свободный рост численности популяции прекращается. Связано это, как правило, с исчерпанием какого-либо ресурса, на базе которого развивается данная популяция, например пространство или пища. Причиной также могут служить внезапные заморозки или какой-то другой фактор среды, прекращающий сезон относительного благополучия. После этого численность популяции может катастрофически понизиться (пунктирная линия на рисунке). Иногда вслед за подобным падением идет повторный рост численности, в результате формируется так называемая триггерная кривая роста, свойственная, например, однолетним растениям, некоторым насекомым, популяциям леммингов в тундре и т.п.

Рис.13.3

Подобные тенденции вызывают немалые опасения в плане судьбы человеческой цивилизации. Несмотря на все прогнозы демографов, динамика численности людей никак не желает стабилизироваться, оставаясь очень близкой к J-образной кривой. Мы уже близки к разрушению собственной среды обитания, а значит, вполне возможно, что в достаточно скором будущем (возможно, при жизни нынешних поколений) нас может ожидать катастрофическое снижение численности населения Земли.

Обычно лимитирующее давление среды играет в динамике популяции роль отрицательной обратной связи, поэтому в уравнении динамики популяции появляется дополнительный сомножитель или слагаемое:

,

где К - верхняя асимптота, соответствующая верхнему пределу численности популяции после того, как в системе наступит равновесие (ее величина определяется средой, точнее, надсистемой). В данном случае скорость роста равна максимальной скорости роста (rN), определяемой биотическим потенциалом, умноженной на степень реализации максимальной скорости (1-N/K), которая тем ниже, чем больше плотность, или численность N, популяции. Поэтому такую динамику называют зависимой от плотности (численности), в отличие от независимой от плотности J-образной динамики.

Решение этого дифференциального уравнения имеет вид:

,

где a - постоянная интегрирования, определяющая положение кривой относительно начала координат. Кривая роста популяции, описываемая данным уравнением, называется логистической или S-образной кривой. В принципе J-образную кривую можно рассматривать, как неполную реальную S-образную кривую, просто лимитирующие факторы среды в этом случае ограничивают рождаемость еще до того, как существенную роль в регулировке численности начнут играть внутренние факторы, обеспечивающие устойчивость системы. J-образная кривая роста характерна для некоторых популяций именно в системах с малой устойчивостью, то есть бедным видовым разнообразием, например, для леммингов в тундре, или для саранчи и других сельскохозяйственных вредителей в условиях агроценозов. Однако, такая же независимая от плотности динамика характерна и для многих пионерных видов, заселяющих еще необжитые пространства или успешно вытесняющих более слабых конкурентов из их экологических ниш. Так было, например, в случае с кроликами в Австралии. Нечто подобное, по-видимому, происходит и с человеческой цивилизацией.

Интересно, что оба основных типа роста численности популяции сходны с двумя типами метаболизма или роста для отдельных особей, что лишний раз подчеркивает глубокие аналогии между популяцией и живым организмом. Почти все математические модели роста популяций сильно уязвимы. В наиболее частом случае динамика популяции не идет ни по одной из этих кривых, реальная кривая роста располагается где-то в промежутке между этими кривыми. По инерции рост численности еще некоторое время может продолжаться даже после выхода за пределы верхней асимптоты, но затем после нескольких колебаний численность популяции, как правило, либо стабилизируется, либо совершает незначительные колебания относительно значения N = K. Иногда эти колебания могут быть достаточно существенными, их называют популяционными волнами или волнами жизни. Причины популяционных волн могут быть как внешними (периодические изменения факторов среды), так и внутренними, связанными особенностями межвидовых и внутривидовых отношений.

Внутренние механизмы регулировки численности, работающие по принципу обратной связи, могут быть самыми различными. Все их можно объединить в понятие популяционного гомеостаза. Так наиболее действенным механизмом являются взаимоотношения между хищниками и жертвами, например рысь-заяц. Высокая численность жертв способствует росту хищников, которые сокращают поголовье жертв и сами попадают в неблагоприятные пищевые условия, в результате чего их численность начинает также уменьшаться, что способствует увеличению численности жертв, и т.д. Интересно, что статистическая модель системы хищник-жертва, реализованная на компьютере, дает колебания численности жертв и хищников, которые совершаются практически в противофазе, что вполне теоретически объяснимо, так как техническим аналогом данной биотической системы может служить обычный колебательный контур, где происходит периодическое взаимное превращение потенциальной и кинетической энергии. Однако для реальных кривых характерно лишь некоторое запаздывание по фазе колебаний численности хищников относительно колебаний численности жертв. Расхождение с моделью вызвано, по-видимому, наложением на систему хищник-жертва других механизмов гомеостаза, которые способствуют сближению фаз обоих колебаний, понижая тем самым инертность системы. А также тем фактом, что система эта не является изолированной, то есть заяц может стать жертвой совсем другого хищника, и рысь не обязательно питается только зайцами, имеются, вероятно, и другие причины. Система хищник-жертва может быть распространена на любой уровень трофической структуры экосистемы, например, заяц-трава и т.п.

К подобным межвидовым механизмам регулировки численности популяций можно отнести и межвидовую конкуренцию, которая ограничивает экологическую нишу данной популяции, приводя иногда даже к гибели части особей. При этом внутри популяции происходит достаточно жесткий отбор претендентов на продолжение рода. Конкретные механизмы этого отбора также могут быть различными. Это может быть по принципу «выживает сильнейший», например, на стадии всходов молодых растений преимущество имеет тот, кто смог быстрее всех выйти в более высокий ярус, остальные погибают в затенении. Однако, и они играют свою положительную роль в жизни популяции, отдавая, по-видимому, свою «жизненную силу» более перспективным претендентам через систему сросшихся друг с другом корней. У высших животных такая внутривидовая конкурентная борьба может проходить в более мягких формах, например, путем исключения ослабленных особей из процесса размножения без их непосредственной гибели.

Имеются и другие, менее понятные, механизмы. Например, зайцы-беляки в период пика численности могут часто погибать от «шоковой болезни», связанной с увеличением надпочечников и другими признаками нарушения гормонального равновесия. Часто в условиях повышенной численности популяции у животных наблюдаются случаи каннибализма (поедания себе подобных), например, окуни могут начать питаться собственными мальками. По мере возрастания биомассы деревьев более крупные и старые деревья могут становиться более восприимчивыми к насекомым-вредителям и часто гибнут, освобождая место более молодым. Иногда во время нашествий насекомых-вредителей такое массовое омоложение леса по масштабам может сравниваться даже с действием бурь или пожаров. Причем, в отличие от пожара, сукцессия начинается с более поздних стадий, а именно: со стадии молодых деревьев доминирующего вида. Интересным является механизм ингибирования (угнетения), проявляющийся в выделении в окружающую среду веществ, тормозящих динамику популяции. Этот механизм характерен как для растений и микроорганизмов, так и для животных. Например, подача в помещение, где нормально развиваются лабораторные животные (например, мыши), воздуха из густонаселенных помещений тормозит развитие животных в свободном помещении. Имеется и масса других примеров наличия внутренних механизмов регулировки численности. Практически все эти примеры можно свести к одному утверждению: в условиях повышенной плотности (численности) популяции возрастают стрессовые явления, которые действуют на данную популяцию угнетающе и являются своего рода внутрипопуляционной обратной связью.

В условиях человеческого общества, практически не имеющего врагов в природе, именно стрессовые механизмы начинают играть главную роль в ответ на взрывоподобный рост численности населения.

Давно подмечено, что каждый человек обладает набором своего рода «интимных зон» разного радиуса, то есть определенных объемов пространства, где присутствие кого-либо вызывает неприятные ощущения. Так, например, в разговоре люди инстинктивно соблюдают определенную пространственную дистанцию между собой (порядка 1 м). Попытки сократить эту дистанцию вызывают у собеседника неосознанное желание чуть отодвинуться. Конечно, для разных людей эта зона различна. Имеются и другие зоны гораздо большего радиуса, но чем меньше радиус зоны, тем меньшее количество времени может выдерживать человек присутствие в этой зоне других людей без каких-либо стрессовых проявлений. Поэтому, например, люди, живущие в густонаселенных районах, в тесных комнатах многоквартирных домов, не имеющие возможности остаться наедине с собой в достаточно просторной зоне, оказываются гораздо более нервозными, чем, скажем, жители деревень, где такой проблемы не существует. Поэтому деревенские жители «задыхаются» в людных городах, поэтому горожан тянет «на природу», где можно хотя бы на время расширить «зону интима». Поэтому основное количество болезней (до 90 % и больше) сейчас либо напрямую вызвано нервными перегрузками, либо косвенно связано с нервным истощением организма. Так, может быть, механизм корректировки численности людей уже включился? Ведь не случайно, несмотря на успехи медицины, двадцатый век по праву можно назвать веком болезней.

Но все это лишь конкретные механизмы. Кто включает эти механизмы? Почему, например, после сильного выедания растительности леммингами в годы пика их численности происходит уменьшение доступности биогенных элементов, в результате чего ценность пищи леммингов снижается, в связи с чем ограничивается рост и выживаемость молодых особей? Затем биогенные элементы возвращаются в круговорот, и растительный покров восстанавливается. Конечно, и здесь можно выявить определенные связи и адаптации. Однако ясно, что регулировка численности осуществляется не на популяционном, а на экосистемном уровне. То есть именно экосистема (надсистема по отношению к популяции) диктует популяции свои условия с помощью какой-то своей особой физиологии, что лишний раз доказывает ее аналогию с целостным организмом.

Вероятно, и человек в скором времени может испытать на себе прессинг надсистемы. Может быть, это уже происходит. Но слишком инертна надсистема, и слишком новым для нее является столкновение с человеком-разумным, вышедшим из-под власти биосферы. Когда она найдет действенное средство, ингибировать наш рост - лишь дело времени. Ни одна популяция, в том числе и человеческая не может жить вне экосистем, человек - часть организма планеты, и рано или поздно планета начнет «лечиться».

Несколько слов нужно сказать и об одном из важнейших механизмов популяционного гомеостаза - миграции. Вообще переход особей из одной популяции в другую - дело обычное и полезное, так как способствует уменьшению вероятности близкородственного скрещивания. Правда, в периоды высокой плотности к иммигрантам относятся везде достаточно враждебно.

Однако наибольший интерес представляют массовые исходы особей из популяции при явной перенаселенности - нашествия. В популяциях, склонных к J-образной динамике (пионерные виды), нашествие является, по-видимому, одним из вполне обычных механизмов «деления» популяции, подкрепленных рядом инстинктов и адаптаций, в некотором роде подобных процессу деления клетки. Например, непосредственно перед миграцией у саранчи появляются более развитые крылья и более темная окраска, что способствует лучшему прогреванию тела солнечными лучами, а поэтому увеличивает подвижность особей. Сам процесс массовой миграции очень болезненный, так как гибнет огромное количество особей, у которых до некоторой степени притупляется инстинкт самосохранения. Все поведение насекомых направлено на выживание популяции, а не на личную безопасность.

У насекомых со сложной социальной организацией, типа пчел, муравьев и пр., подобные процессы настолько отлажены, что без особых преувеличений могут быть названы популяционной физиологией. Например, в пчелином улье в самом расцвете его сил, когда пчелиная семья наиболее сильна и запасы меда велики, рождается новая матка, а старая матка вместе с частью населения улья покидает его в поисках нового местожительства. Процесс этот происходит в несколько этапов, он сложен и тонко «продуман». Процессы, подобные роению пчелиной семьи, являются более высокой эволюционной стадией того, что мы называем массовыми миграциями.

Не меньшее удивление вызывают периодические сезонные миграции птиц и рыб. Так, например, каждую осень мы наблюдаем, как многие виды птиц улетают на юг, а по весне возвращаются обратно. Механизм этих миграций, по-видимому, связан не с перенаселенностью, а с особенностями жизненного цикла, закрепленными в инстинктах. Однако, некоторая общность все же имеется. Например, ближе к осени птицы становятся более беспокойными, усиливается стайный инстинкт, который дает эгрегору стаи (надсистеме) власть над каждой особью, заставляя ее, рискуя жизнью, пускаться в тяжелейшие испытания. Многие исследователи склоняются к мысли, что поведение птиц объяснимо только с холистских позиций. То есть главную направляющую роль в этих процессах играет биосфера в целом. Конечно речь не идет о каком-то разуме, командующем птичьими стаями. Однако в этих процессах можно наблюдать очень тесную аналогию с вегетативными процессами и системами организма (непроизвольные процессы, не подчиняющиеся непосредственно волевым усилиям, такие как сердечная деятельность, пищеварение, терморегуляция и т.п., в отличие, например, от двигательных систем).

Человек является, по-видимому, типичным пионерным видом с J-образной динамикой, для которого характерна тяга к миграциям в периоды перенаселенности. Для этого мы имеем определенный набор инстинктов. Так непосредственно перед миграцией у наших предков, по-видимому, начинали рождаться дети, для которых было характерно ускоренное созревание, более высокие физические данные и повышенная воинственность, потому что они должны были охранять мигрирующую популяцию, защищая ее ценой собственной жизни. По прибытии, они должны как можно скорее дать новое потомство, чтобы восполнить свои сильно поредевшие ряды. Со всеми этими атавизмами (признаки, свойственные далеким предкам) мы столкнулись, по-видимому, уже в наше время, что вызвало в свое время немалое удивление. Мы назвали это явление акселерацией (ускоренное развитие). Акселератам свойственны и быстрое половое созревание, и большая физическая сила, и повышенная агрессивность. В животном мире акселерация не редкость. Но возникает она как своего рода защитная реакция на грозящие данному виду потрясения. Возникает резонный вопрос: куда мы собираемся мигрировать? к каким потрясениям готовит нас эгрегор (надсистема) человеческого общества? А может он сам не понимает, что происходит и в беспорядке пробует все известные ему средства? Ведь мы живем не только во времена акселерации, но и во времена повышенного количества мутаций, вспомните, сколько детей с различного рода отклонениями рождается в наших роддомах. Что же нас ожидает?

13.2. Территориальная структура популяций

Распределение особей в популяции может быть случайным, равномерным и групповым. Случайное распределение встречается в тех случаях, когда на популяцию воздействует одновременно множество достаточно слабых факторов среды. Необходимым условие для этого должно быть отсутствие тенденции к образованию групп (стайный инстинкт, семейные группы или нечто подобное). В случае же группового распределения сами группы обычно распределяются в пространстве случайным образом. Равномерное распределение отдельных особей или их групп (точнее, близкое к равномерному) характерно в случаях с достаточно жесткой внутривидовой конкуренцией.

Примером случайного распределения может служить расположение личинок мучного хрущака в мешке с мукой, одиночные паразиты или хищники, например пауки, также распределяются обычно случайным образом. Надо сказать, что случайное распределение в природе встречается относительно редко. Так, например, распределение высоких деревьев в лесу уже нельзя назвать случайным. Обычно кроны таких деревьев смыкаются, и конкуренция в борьбе за свет способствует выравниванию распределения. Зачастую равномерному распределению растений способствует выделение разного рода ингибирующих веществ.

У животных тенденция к равномерному распределению связана с феноменом территориальности. Активность особей, пар или семейных групп многих животных обычно бывает ограничена определенным пространством, которое называют индивидуальным или семейным участком. Если эти участки активно охраняется, так что они практически не пересекаются друг с другом, то они называются территориями. Территориальность распределения наиболее ярко выражена у позвоночных и у некоторых членистоногих со сложным поведением. Наиболее часто территориальность проявляется на тех стадиях жизненного цикла, которые непосредственно связаны с размножением, то есть при строительстве гнезд, откладке яиц, заботе о потомстве и его защите и т.п. На других стадиях жизненного цикла стремление к изоляции может ослабевать или даже, наоборот, сменяться стремлением к консолидации в стада, стаи, косяки, рои и т.п.

Наиболее изучено явление территориальности у птиц. При этом поведение птиц можно разделить на несколько типов, когда охраняется:

  • весь участок, где происходит кормление, спаривание и выведение птенцов;
  • весь участок, где происходит спаривание и гнездование, но не кормление;
  • только участок, на котором происходит спаривание;
  • только гнездо;
  • участки, не связанные с размножением.

Понятие «охрана» не обязательно связано с какими-то стычками. Наоборот, в большей части случаев территориального поведения количество стычек сведено к минимуму. Это обеспечивается разного рода метками, характер которых может быть самым различным, например, высшие хищники (кошки, собаки, медведи и пр.) метят свои территории пахучими веществами, а вот птицы метят территории своим пением. У большинства перелетных птиц первыми занимают места самцы, которые пением заявляют свое право на территорию. Конечно же, качество пения оказывает воздействие на самок, но все же, как это может быть ни печально, самцы поют, главным образом, не столько для самок, сколько для конкурентов. Что касается птиц, оставшихся без территории, то они рискуют быть исключенными из процесса размножения. У низших организмов таких особей обычно ожидает более мрачная перспектива. Так, например, некоторые пустынные пауки, оставшиеся без территории, теряют в весе и, в конце концов, погибают.

Вероятно, территориальность, каким-то образом удовлетворяет принципу оптимальности. Как полагают, территориальное поведение является одним из механизмов регулировки численности популяции, защищая ее от перенаселенности. Обычно территории оказываются вполне достаточными для того, чтобы прокормиться данной особи или семейной группе даже при достаточно неблагоприятных условиях. Кроме того, территориальность позволяет, по-видимому, избегать давления хищников, распространения болезней, облегчается встреча особей при размножении и т.п. Все это способствует снижению затрат на жизнеобеспечение, то есть налицо экономия энергии (помните принцип наименьшего действия?).

В более простых случаях территории не охраняются, а поэтому они не имеют четких границ и пересекаются друг с другом, как это наблюдается, например, у черепах. Тем не менее, внутривидовая конкуренция способствует равномерному распределению этих участков. Возможно, такое поведение является чем-то вроде более эволюционно ранней версией территориальности.

Человеку также свойственно территориальное поведение. Это заложено, вероятно, на уровне каких-то глубинных инстинктов, о чем уже говорилось на примере «интимных зон». На основе территориальности у нас формировались такие явления, как частная и личная собственность, государственность, патриотизм, воинственность.

Однако, помимо стремления к индивидуальному обособлению практически всем видам свойственна и противоположная тенденция к агрегации, то есть к сближению, концентрации, консолидации с образованием определенных социальных структур. Согласно принципу Олли лимитирующим фактором может быть не только перенаселенность популяции, но и ее «недоселенность». Простейший пример, слишком малая плотность популяции может препятствовать встречам организмов во время спаривания. Таким образом, популяция никогда не рассеивается как молекулы газа, а тяготеет к образованию целостности. Конечно, в немалой степени этому способствует межвидовая конкуренция, однако гораздо более сильное влияние имеют внутрипопуляционные механизмы.

Механизмы агрегации могут быть различными. В самых простых случаях, например у растений и некоторых низших животных, агрегация вызывается малой подвижностью особей или семян при расселении. Например, семена кедра не имеют приспособлений для полета, поэтому обычно кедровники могут лишь постепенно разрастаться. Более сложным механизмом является стайный инстинкт у животных.

Как уже указывалось ранее, агрегация зачастую оказывается энергетически более выгодной, чем изоляция. Важнейшим результатом агрегации является высокая выживаемость в группе. Например, группа растений способна лучше противостоять ветру или эффективнее уменьшать потери воды, чем отдельные особи. Рыбы в группе более эффективно противостоят действию токсичных веществ, чем отдельные особи. Пчелы в улье способны поддерживать нормальный температурный режим, даже если за пределами улья стоит зима. Все это примеры так называемого эффекта группы, или эффекта стаи (стада, толпы и т.п.). Конкретные механизмы реализации этого эффекта могут быть самые разнообразные. Например, летящая птица создает вокруг себя электростатическое поле, конфигурация которого зависит от соотношения длины шеи и размаха крыльев. В стае эти индивидуальные поля суммируются, что помогает в полете более ослабленным особям. Поэтому не случайно в сезонных перелетах птичьи стаи выстраиваются косяками. Величина угла птичьего косяка зависит от вида птиц, точнее, от угла, образованного двумя лучами, соединяющими кончик клюва с концами крыльев (рис.13.4). Чем длиннее шея, тем острее угол птичьего клина.

У некоторых позвоночных, а также у общественных видов насекомых, агрегация выражается в форме социальной организации, для которой характерно наличие социальной иерархии и специализации. Эти явления могут иметь иногда достаточно простые формы, например, в виде определенной очередности клевания, кто-то в это время несет функции охраны, предупреждая стаю о приближении опасности, потом происходит смена, и т.д. В таких группах могут присутствовать и признанные лидеры, но очень часто роль лидера достаточно быстро переходит от одной особи к другой.

Рис.13.4

Очень интересен в этом плане феномен синхронных движений особей в стае, до сих пор вызывающий множество споров, связанных с поиском «тайных» сигналов, с помощью которых либо особи моментально обмениваются между собой, либо эгрегор стаи руководит каждой особью. Суть его в том, что птицы в стае, или рыбы в косяке могут синхронно все разом менять направление движения. Одна из попыток объяснить этот феномен состоит в стратегии «слежения» друг за другом, при этом признанным лидером становится тот, который в данный момент ведет себя так, как будто он «знает, что делать», остальные повторяют его движения, пока роль лидера не возьмет на себя кто-нибудь другой. Хотя эта теория объясняет далеко не все, она, вероятно, близка к истине, так как оказывается созвучной с принципом подобия, о котором мы говорили в начале курса.

Нам этот феномен также присущ. В трудных ситуациях многие из нас склонны к тому, чтобы попросить совета у ближнего, и если ближний говорит достаточно убежденно, то это зачастую пересиливает голос собственного разума. В принципе, по такому же сценарию выбирается и лидер (в коллективе, или в политике). Правда, необходимо одно условие: лидер должен явиться выразителем настроений определенной группы людей. Только в этом случае он сможет демонстрировать уверенность, заимствуя психическую энергию (уверенность) у тех, кто ему доверяет, иначе у него не получится быть уверенным, не хватит психических сил. Для уверенности не обязательно иметь почитателей, достаточно почувствовать настроение группы и настроить на него свою психику, или как говорят мистики, «войти» в эгрегор группы. Группа не обязательно должна быть территориально сосредоточена в одном месте, это может быть партия единомышленников или религиозная организация. Наибольшую уверенность демонстрируют те, кто смог «войти» в единство (подобие) с природой, с планетой или даже со всей Вселенной. Таких людей мы называем святыми, их признают целые народы. Может быть, в принципе подобия и кроется основной механизм социальности?

В более сложных случаях внутренняя жизнь популяции оказывается настолько регламентированной, а отдельные функции настолько централизованы, что аналогия с единым организмом оказывается достаточно полной. Кстати, экологи не склонны называть отдельные популяции и экосистемы едиными сверхорганизмами вовсе не потому, что аналогии очень слабые, напротив, сильные аналогии многократно подчеркиваются и акцентируются. Дело в том, что помимо качеств, присущих организмам, эти надсистемы имеют еще массу дополнительных качеств, которые организмам вовсе не присущи. Это значит, что никто не «запрещает» этим надсистемам обладать и аналогами индивидуальности, присущими высшим животным, а может быть, и аналогами сознания, по крайней мере, в человеческих надсистемах (толпа, коллектив, общество, народ, цивилизация).

Противоречивые тенденции к изоляции и консолидации приводят в конечном итоге к определенному динамическому равновесию внутри популяции. Явление территориальности - это один из примеров реализации такого равновесия. Эволюция форм этого равновесия в конечном итоге приводит к идее так называемых «безопасных поселений».

Безопасные поселения характеризуются большим скоплением особей на каком-то достаточно благоприятном для жизни участке. Это может быть остров посреди океана, целиком или частично занятый колонией птиц (птичьи базары), это может быть небольшая роща, заселенная популяцией птиц (вспомните скопления грачей на городских кладбищах), муравейники, термитники, пчелиные ульи, человеческие города - все это примеры безопасных поселений. Агрегация на центральном участке обеспечивает колонию своими преимуществами: повышенная защищенность, благоприятные условия для спаривания, экономия затрат энергии на поддержание жизнедеятельности вследствие специализации. В то же время весь приток необходимых для жизни средств идет со стороны. Добыча пищи идет вовсе не на центральном участке, а на обширном пространстве, окружающем этот участок. В случае высокой специализации пищу добывают специально предназначенные для этого особи, которые освобождены от других дел, таких как забота о потомстве или защита поселения от врагов. Эти функции выполняют другие «специалисты», которые получают за это все, что им требуется для собственного жизнеобеспечения.

В подобных поселениях, как правило, развиваются достаточно мощные средства взаимной коммуникации. Например, все знают о знаменитом «пчелином танце», язык которого обладает высокой степенью символизма, что является основным достоянием человеческого языка. Язык этот очень гибок и логичен, хотя достаточно прост, что, собственно, и позволило уже расшифровать его основные конструкции. По крайней мере он позволяет пчелам безошибочно находить то, о чем была получена символьная информация. Довольно сложен, по-видимому, и язык птичьих популяций. Косвенным свидетельством этому может являться полное непонимание этого языка теми птицами, которые внедряются в данную популяцию, в то время как детство их прошло в совсем другой популяции в достаточно отдаленных местах, хотя они и являются представителями того же вида.

Отрицательным моментом подобных поселений является загрязнение центрального участка своими отходами, вытаптывание растительности, уплотнение почвы и т.п., что особенно ярко наблюдается в птичьих базарах. Слишком большая плотность популяции приводит к разного рода стрессовым явлениям. Слишком большая численность популяции требует расширения региона, за счет которого существует данное поселение. В поисках пищи приходится летать, бегать, скакать, ходить, ползать на слишком далекие расстояния. Именно это, вероятно, является одной из основных причин «деления» таких популяций, типа роения пчел (справедливости ради надо отметить, что пчелиная семья с большим трудом может быть названа популяцией, так как все особи происходят от одной матки; вообще в случае с общественными насекомыми в терминологии следует соблюдать определенную осторожность).

Практически все сказанное про безопасные поселения целиком отнести и к нашим городам, разрастание которых грозит нам такими проблемами, которые способны превысить любую энергетическую эффективность. Более того, в условиях ограниченности жизненного пространства наблюдается даже процесс слияния городов. Все это катастрофически уменьшает свободное пространство, за счет которого только и могут существовать города.

ПОВТОРИМ

  1. Понятие популяции вида. Плотность, рождаемость, смертность, возрастная структура популяций.
  2. Выживаемость и кривые выживания особей популяции.
  3. Внутренние механизмы регулировки численности популяции.
  4. Миграция как важнейший механизм популяционного гомеостаза.
  5. Охарактеризовать случайное, равномерное и групповое распределение особей в популяции.
  6. Пояснить явление территориальности в популяциях. Привести примеры.
  7. Пояснить и привести примеры механизмов агрегации и образования социальных структур.

Раздел III

ПРИКЛАДНАЯ ЭКОЛОГИЯ


Глава 14

ЭКОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА

Экология человека, в общем, продолжает традиции биоэкологии, но имеет свой специфический оттенок. Общий принцип остался тот же: изучать нечто одушевленное (в данном случае человека или общественные группы) и неодушевленное (например, промышленные предприятия), которые взаимодействуют друг с другом, являясь в то же время составляющими элементами многоуровневой надсистемы, которая воспринимается человеком, как окружающая среда. Вместе с тем в отличие от биоэкологии центральным звеном здесь непременно является человек. Вследствие этого в экологии человека прослеживается ряд зачастую достаточно противоречивых тенденций.

Во-первых, вследствие ограничения рамок самого предмета изучения, за пределами рассмотрения оказываются некоторые общие вопросы экологии, особенно вопросы общей теории жизни, что чревато отрывом данной науки от понимания глобальных процессов и замыканию ее на относительно узком круге вопросов, не выходящих за пределы потребностей человека. В результате мы начинаем не столько изучать объективные законы природы, сколько искать пути разрешения неразрешимого противоречия между природой и растущими потребностями человека, что позволило бы выжить человеку не меняя своей сущности даже за счет гибели остального живого мира, что противоречит самому духу экологии. Не случайно, у основной массы людей понятие «экология» является синонимом понятию «охрана окружающей среды» или даже «природопользование», которые имеют гораздо большее отношение к экономике, чем к экологии.

Если быть абсолютно честным по отношению к самому себе, то экологическая проблема решается достаточно просто - нужно существенно ограничить свои потребности. Но, зная себя, мы понимаем, насколько это утопично. Поэтому вместо того, чтобы прислушаться к своей совести, которая является «гласом вопиющего в пустыне», призывающим нас к покаянию, мы ищем выход там, где его нет.

Вторая тенденция состоит в расширении предмета экологии человека практически на все сферы человеческой жизни от производственной деятельности до вопросов культуры, психологии и духовности. Это все больше придает данной дисциплине статус метанауки.

14.1. Сельскохозяйственная экология

На примере сельского хозяйства наиболее явно просматриваются основные причины конфликта между человеком и природой. Если конфликт между промышленностью и природой существует максимум два столетия, то конфликт между сельским хозяйством и природой существует уже несколько тысячелетий.

Из теории сукцессий следует, что в молодых экосистемах, где продуктивность много больше дыхания (П > Д), основная энергия идет на формирование биомассы, то есть в продукцию, в отличие от климаксных систем, где практически вся энергия идет на дыхание и потребление гетеротрофами (рис.14.1).

Рис. 14.1

Человек заинтересован в том, чтобы поддерживать в экосистеме ранние стадии сукцессии, что позволяет ему снимать большие урожаи. Чтобы максимизировать выход какого-то одного продукта (монокультуры) человек значительно снижает разнообразие в агроценозе. Доминирующие растения в агроценозе подвергаются искусственному, а не естественному отбору. Поддержание такого состояния возможно только за счет энергетических субсидий в виде мышечной работы людей и животных. В наше время к этому добавились дополнительные субсидии в виде техники, удобрений, новых высокоурожайных сортов, средств борьбы с сорняками и вредителями и т.д. Поэтому агроценозы без человеческой поддержки нежизнеспособны, то есть самостоятельными экосистемами не являются. Постоянное внимание и непрекращающееся вложение средств в агроценозы - вот плата за сохранение ранних стадий сукцессии. Но даже при всем этом они характеризуются крайне малой устойчивостью и стабильностью.

Это приводит к ряду неприятных последствий, с которыми человек пока не может успешно бороться: повышенной эрозии и засолению (следствие орошения) почв вплоть до полной их деградации, уплотнению почвы техникой, загрязнению почвы и окрестных водоемов органикой удобрений, постепенному накоплению в почве ядохимикатов и т.п. При интенсивном хозяйстве каждый год поле теряет до 20-40 т почвы с гектара, это соответствует потере 1см плодородного слоя за 3-7 лет. Поэтому количество земель, пригодных для сельского хозяйства снижается с каждым годом. Это приводит к сведению лесов для использования освободившейся земли для удовлетворения пищевых нужд растущего населения Земли. Помимо прочего, это нарушает водный баланс в данной местности: мелеют реки, в периоды дождей часты наводнения, локальные дожди в глубине континента становятся редкостью, мелкие водоемы пересыхают или превращаются в болота и др. Все это, конечно же, отражается на успехах земледелия, требуя все более мощных энергетических субсидий. Таким образом, возникает порочный круг: количество требуемых энергетических субсидий растет гораздо интенсивней, чем урожаи.

Малая устойчивость агроценозов несет в себе угрозу ослабления устойчивости биосферы в целом. Например, нарушение водного баланса бьет не только по сельскохозяйственным угодьям, но и по естественным экосистемам. От нашествий саранчи также страдает вся растительность. Нам пока не известны пределы устойчивости биосферы, но экспериментировать с этим довольно рискованно. После потери устойчивости биосферы может начаться цепная реакция деградации среды.

Наиболее оптимальный выход, который, возможно, в будущем сможет остановить перечисленные тенденции, состоит в повышении устойчивости агроценозов, не уступающей устойчивости естественных экосистем, то есть в создании самодостаточных агроценозов. Для этого необходимо повысить разнообразие на сельском поле, например, путем смешанного возделывания нескольких хорошо подобранных друг к другу культур, а также путем стимулирования разнообразия в среде насекомых за счет жертвования части урожая, превращая их из «вредителей» в «друзей», что должно ограничить вероятность «нашествий» отдельных видов. Большие надежды возлагаются на генетику. Разрабатываются также модели блокового землепользования, в которых большое внимание уделено оптимальному интегрированию промышленно-городской среды, среды переработки отходов, среды жизнеобеспечения (гармоничные агроценозы, то есть культурные экосистемы на ранних стадиях сукцессии) со зрелыми экосистемами, не вовлеченными в жизнеобеспечение человека (протективная среда).

Для решения продовольственной проблемы предлагаются также проекты вовлечения несъедобных растений для производства продуктов питания путем химического обогащения (прототипом этого может служить производство силоса из малоценного корма путем ферментации). Развивается направление ведения сельского хозяйства на основе разлагаемого детрита (взять хотя бы выращивание грибов или детритоядных рыб). В комплексе с промышленной переработкой это, возможно, позволит решить проблему биологической утилизации отходов и вовлечения их в повторный круговорот. Имеется масса других проектов.

В любом случае попытки гармонизировать сельское хозяйство требуют огромных вложений в научные исследования (ничего не дается даром - четвертый закон Коммонера). Вероятно, можно как-то «вписаться» в природу, о чем, в частности, свидетельствуют успехи древних агротехнологий. Но все упирается в безудержный рост народонаселения. Как отмечают самые оптимистично настроенные прогнозисты, если численность людей не стабилизируется уже в ближайшие десятилетия, то биосфера, скорее всего, не выдержит такой нагрузки.

14.2. Промышленная (инженерная) экология

Основной вопрос промышленной экологии: как снизить загрязнение среды в процессе производства. Причем это не обязательно загрязнение веществами, в том числе и токсичными, что, конечно же, играет одну из самых значительных ролей в надвигающейся катастрофе. Кроме прочего, промышленность загрязняет среду теплом, шумом, электромагнитным излучением и прочее, которые крайне угнетающе воздействуют как на человека, так и на природу в целом.

Так, например, воздействие шума является одной из главных причин стрессов и в человеческом обществе и в природе (особенно в среде животных). Не достаточно изучено влияние электромагнитного излучения, особенно слабого. Есть предположения, что в хаосе электромагнитных волн, пронизывающих пространство (радиошум) могут иногда попадаться даже “волны-убийцы”, частота которых случайно временно совпадает с частотой жизненно важных процессов внутри организма, вызывая их сбой, который может иметь фатальные последствия (есть попытки объяснить этим участившиеся случаи неожиданной внешне беспричинной смерти). Конечно, эту информацию очень трудно проверить, но то, что электромагнитное излучение способно ухудшать наше состояние - это факт проверенный.

Тепловое загрязнение становится сейчас самым распространенным случаем хронического стресса. Особенно это заметно вблизи тепловых электростанций, высвобождающих в воздух и воду огромное количества тепла. Так например, АЭС средних размеров, дающая 3000 мегаватт электроэнергии, производит в час более 5 млрд. ккал «бросового» тепла. Последствия повышения температуры в окрестных прудах и озерах различны. Как правило, сначала это воспринимается живым миром вполне благоприятно, но со временем возникают стрессовые явления. Не поддается пока еще точным оценкам глобальное тепловое загрязнение среды.

Одной из наибольших опасностей считается загрязнение грунтовых вод и глубоких водоносных горизонтов. В отличие от поверхностных вод эту воду практически невозможно очистить. Поэтому она еще долго будут отравлять все живое в окрестности. Но основную нагрузку несут на себе, конечно же, атмосфера и открытые водоемы. Мы можем эти загрязнения наблюдать непосредственно, поэтому они являются сигналами отрицательной обратной связи, которые могут спасти индустриальное общество от гибели, если оно будет адекватно на них реагировать. Атмосфера и океан являются важнейшими подвижными буферными зонами, за счет которых существует весь живой мир биосферы. Они обладают достаточно большой емкостью, пределы которой нам неизвестны. Но не дай нам Бог, превысить эти пределы. Мы уже привыкли к гибели локальных экосистем, вызванной антропогенным вмешательством. Но сверхдопустимое засорение буферных зон вызовет коренные изменения во всей биосфере.

К числу основных направлений развития инженерной экологии можно отнести следующее:

  1. Очистка выбросов. Разрабатываются и внедряются все новые системы очистных сооружений, препятствующих попаданию вредных веществ в атмосферу и в водоемы. Однако проблема этим не решается - куда девать эти вещества после того, как они выделены в концентрированном виде из промышленных стоков или дыма. В более простых вариантах происходит обычное складирование или захоронение этих веществ в малодоступных районах. Рано или поздно эта проблема к нам вернется в более неприятном виде.
  2. Совершенствование технологии производства путем повторного использования отходов. Надо отметить, что безотходные производства, о которых наделано много шума, в принципе, невозможны, это противоречит второму закону термодинамики. Другое дело, использование опыта природных систем, где вещество циркулирует в непрерывных круговоротах. Именно в этом видится сейчас основное направление совершенствования производства. Особое внимание следует уделить эффективности использования энергии, что позволит минимизировать потребность в энергии, а значит, снизить угрозу тепловой катастрофы.
  3. Совершенствование добывающих и промысловых отраслей промышленности. Здесь происходят практически неконтролируемые процессы разрушения ландшафтов, гибели пригодных для земледелия земель, загрязнения среды, непосредственное уничтожение растительного и животного мира планеты и т.п. Вождь одного из племен, которое живет сейчас за счет сжигания леса на своем острове и продаже древесного угля, на вопрос Кусто: “Как вы будете жить, когда вырубите все деревья” ответил: “Тогда наступит конец света”. Мы недалеко ушли от этого аборигена, но мы менее откровенны, мы умеем прикрыть свои поступки массой рассуждений о гуманности. Настоящий гуманизм предполагает еще и заботу о потомстве. Остается одна достаточно призрачная надежда на законодательство.
  4. Переход на экологически более чистые источники энергии. Пока это только мечта. Как уже говорилось, эффективность использования солнечной энергии не выдерживает никакой конкуренции с использованием горючих ископаемых. То же самое можно сказать и об энергии ветра, приливов, гейзеров и т.п. Единственная надежда в плане решения энергетической проблемы - это использование ядерной энергии, но управляемый термоядерный синтез еще не изобрели, а расщепление урана сопряжено с большими затратами. К тому же “экологическая чистота” таких источников энергии уже ни у кого не вызывает иллюзий. Есть еще надежда на будущих изобретателей. Только вот успеют ли они?
  5. Снижение вредности транспорта. Это одна из важнейших проблем современных городов, которая напрямую связана с энергетической проблемой. Сейчас эту проблему пытаются решать с помощью соответствующих фильтров и оптимизацией конструкцией моторов, но рост численности автомобилей перекрывает все успехи в этом направлении.

Впрочем, самая главная проблема не в том, что мы плохо преобразуем энергию или недостаточно очищаем выбросы. Наоборот, некоторые промышленные способы настолько эффективны, что могут даже конкурировать с природными системами. И с каждым годом эта эффективность будет повышаться. Порок кроется в самом подходе: все во благо растущих потребностей человека. В одном из американских фильмов-боевиков символом американского общества был назван супермаркет. Именно магазин все больше и больше становится символом человеческой цивилизации, наиболее меткое название которой - “общество потребления”. И все достижения промышленности направлены на усиление потребительских тенденций.

14.3. Экология города

Город - это типичное безопасное поселение. Однако положительный эффект от проживания в городе становится все более относительным. И уж совсем перестал быть безопасным город по отношению к окружающей его природе.

Город является гетеротрофной экосистемой, получающей энергию, пищу, воду и другие вещества со стороны, то есть с больших площадей, находящихся за его пределами. Так, для проживания 1 млн. человек на площади порядка 250 требуется буферная площадь для «сбора энергии» порядка 8000 . Город отличается более интенсивным метаболизмом, чем все естественные экосистемы, поэтому без притока энергии от сжигания топлива он существовать не сможет. Каждый гектар площади города потребляет в 1000 и более раз больше энергии, чем такая же площадь в сельской местности. Таким образом, современный город паразитирует на окружающей его природе и на своем сельском окружении. Он практически не производит пищи и не возвращает в круговорот потребленные им вещества. Мечта некоторых фантастов, превратить планету в единый город-сад, энергетически и экологически утопична.

Быстрая урбанизация и рост городов за последние полвека изменили лик Земли, по-видимому, сильнее, чем за всю предшествующую историю человечества. За счет оттока людей из сельской местности города растут быстрее, чем общая численность населения. Сейчас городской ландшафт занимает порядка 1-5 % суши. Но именно здесь происходит основное давление цивилизации на природу. Даже находясь вдали от лесов, города влияют на них не только загрязнением воды и воздуха, но и повышенным спросом на древесину. Достаточно вспомнить о потреблении бумаги в мире, которая практически не возвращается в повторный оборот. Потребности города превращают леса из естественных экосистем в лесопосадки, обладающие, как все искусственные экосистемы, крайне малой устойчивостью.

В самих городах царят достаточно специфические условия (имеются в виду главным образом мегаполисы). Образующиеся в результате функционирования города тепло, пыль и другие загрязняющие вещества изменяют микроклимат городов. Здесь обычно теплее, больше тумана, меньше солнечного света, чем в сельской местности. Наличие промышленных предприятий и большого количества транспорта способствует образованию смога, велика опасность взрывов, пожаров и т.п, так что периодические выбросы вредных веществ полностью предотвратить практически нигде не удается. К этому надо добавить повышенное шумовое и электромагнитное загрязнение. Условия жизни оказываются настолько неблагоприятными, что деревья, которые в естественных условиях живут столетиями, в городе погибают естественной смертью через несколько десятков лет. Правда, для некоторых видов животных условия города оказываются очень даже предпочтительными. Особенно страдают большие города от нашествия крыс и ворон, питающихся за счет богатых отходов. Известны даже случаи нападения их на людей.

Почему же люди тянутся в города? Несмотря ни на что, жизнь в городе оказывается энергетически более выгодной, чем жизнь в сельской местности. Это выражается главным образом в четкой специализации людей. Мне не нужно быть одновременно и плотником, и пахарем, и лесорубом, и пекарем. Достаточно хорошо владеть одной профессией, все остальное сделают другие. В этом смысле город все больше становится похожим на единый большой организм, где все системы поддерживают друг друга. Здесь же, вероятно, лежит ответ на вопрос, каким должен быть город будущего? Это должна быть система с четко отлаженным метаболизмом, где все внутренние процессы локализованы в пределах организма, и обмен с внешней средой как энергетический, так и вещественный ограничен до минимально возможных пределов.

Возможен и другой вариант, экологически более предпочтительный, известный под названием «стратегия кораллового рифа». Как известно, коралловый риф - это система практически полностью автономная, которая умудряется поддерживать богатую жизнь в условиях достаточно ограниченного поступления внешних питательных веществ и энергии. Все это достигается за счет богатства симбиотических связей, обеспечивающих полные круговороты веществ в пределах сообщества. В приложении к городу это значит, что город должен образовать единый организм с окружающей его буферной зоной. Такая система перестанет быть гетеротрофной и, в принципе, может стать относительно самодостаточной.

Однако все эти проекты упираются в одну и ту же проблему, которая висит над человечеством, как «домоклов меч», без решения которой бесполезны все разговоры о будущем - это проблема роста численности населения. Если она не будет решена, города будут расти без ограничений, пока не будет полностью исчерпана емкость буферных зон, тогда эти города задохнутся сами в себе. В любом случае мы должны искать пути гармонизации городов, дорогу осилит идущий!

14.4. Экология микрокосмов

Одно из наиболее распространенных заблуждений человечества эпохи научно-технической революции состоит в безусловную веру в силу науки, которая «что-нибудь придумает» и не даст погибнуть человечеству. В числе прочего существует вера в так называемые «города под куполом», в которых человек будет спасаться от натиска обезжизненной им среды, если такие времена наступят. Поэтому хотелось бы особо остановиться на экологической оценке подобных проектов.

Гипотетический «город под куполом» является типичным примером автономного микрокосма. Попытками создания или по крайней мере моделирования таких объектов давно уже занимаются. Подобные миры можно рассматривать как микроэкосистемы. Экспериментальные микрокосмы варьируются от частично закрытых систем, обменивающихся с окружающей средой энергией (энергетически закрытые системы противоречат второму закону термодинамики), иногда еще и воздухом, до полностью открытых систем. В последнем случае такие микрокосмы позволяют моделировать и наблюдать многие основные функции и трофические структуры природных экосистем. То есть они играют в основном исследовательскую роль и часто используются для проверки разного рода теорий и гипотез. Наибольший интерес в плане возможного будущего человеческой цивилизации представляют автономные или полуавтономные микрокосмы. Особенно актуально это стало в последнее время в связи с космическими полетами. В частности, уже создается целая программа колонизации Луны.

Исследование микрокосмов позволило выявить ряд проблем, которые неизбежно возникают при попытках самоизолироваться от биосферы. Так в связи с ограниченностью пространства оказалось практически невозможно скопировать земные полуавтономные экосистемы. Главная проблема не столько в источниках энергии, сколько в создании систем регенерации вещества, то есть, по сути дела, в организации круговоротов. Попытки использовать для этого микроорганизмы и водоросли была признана непригодной. Для настоящих регенеративных систем потребовались бы более крупные организмы, более сложные многоуровневые пищевые цепи, значительное видовое разнообразие и, самое главное, большие емкости с водой и воздухом, которые смогли бы заменить буферные функции атмосферы и гидросферы. На Земле на каждый квадратный метр суши приходится более 1000 атмосферы и почти 10000 океана плюс большие объемы постоянной растительности. Все они выполняют роль постоянных накопителей отходов, регуляторов и регенераторов. Понятно, что в «городах под куполом» и в космических станциях такого роскошного буферного пространства никогда не будет.

Значит, скопировать земные экосистемы не удастся, придется все изобретать заново. Нельзя сказать, что эта задача, в принципе, неразрешима. Примером тому является наше собственное тело. Здесь в достаточно ограниченном пространстве все настолько тонко продумано, что обмен с внешней средой сведен до минимума. Правда, мы гетеротрофы, то есть представляем собой только одно звено в замкнутом трофическом цикле. Придется «втиснуть» в ограниченный объем целую автотрофную экосистему, чего в природе никогда не было. Но, может быть, именно на нас природа и возложила задачу создать такое суперкомпактное «экотело»?

По плечу ли нам это? Возможно. Но только уж больно мало времени осталось на решение проблемы. Пока что мы вынуждены констатировать, что «не ясно, можно ли создать искусственную экосистему, совершенно закрытую для притока или оттока веществ, с полной регенерацией и с регуляцией, осуществляемой только ее биологическими компонентами… На современном этапе развития техники невозможно создать безопасную и надежную закрытую экологическую систему жизнеобеспечения, даже для использования ее на Земле» (из обзоров, подготовленных для НАСА, 1978 г.).

Это значит, что любая космическая станция и лунное поселение может существовать пока только за счет запасов, поставляемых с Земли. Если же биосфера Земли погибнет, то никакие технические достижения нас не спасут. Возможно, человек когда-нибудь сможет выйти за границы законов экологии, создаст технические аналоги пищевых цепей, систем регенерации, решит свои психологические проблемы, вызванные ограниченностью подвижности и оторванностью от всего живого. Пока что это выглядит утопией. Поэтому без спасения жизни на Земле у нас нет будущего. Без гармонизации с природой мы не выживем.

14.5. Оценка влияния человека на окружающую среду

Наиболее наглядную картину степени влияния человека на окружающую среду дают так называемые экологические карты, где обозначено состояние окружающей среды в отдельных регионах планеты. Особенно ярко выделяются зоны наиболее острых экологических ситуаций, например, Аральское море, зона Чернобыля и т.п. Очень существенны экологические проблемы в Донбассе, Приднепровье, на Среднем Поволжье, на Урале и во многих других промышленно развитых районах. Много на этой карте и белых пятен.

Информация для составления подобных карт поступает из различных министерств и ведомств, а также от конкретных предприятий, которые нередко утаивают или же фальсифицируют реальные данные. Поэтому большое внимание в настоящее время уделяется развитию службы мониторинга окружающей среды. Под мониторингом понимается система мероприятий, нацеленная на систематическое наблюдение и оценку состояния окружающей среды, ее изменений под влиянием хозяйственной деятельности человека. В систему мониторинга входят не только сбор конкретной информации с использованием современных технических средств (летательные аппараты, радиометрическая аппаратура, космическая техника и т.п.), но и средства статистической обработки информации, компьютерного моделирования и научного прогнозирования.

Одна из главных задач мониторинга оценить степень близости загрязнения среды к предельно допустимым концентрациям (ПДК). Для каждого вещества установлены свои ПДК. При этом учитывается степень воздействия данного вещества не только на человека, но и на весь живой мир. Установленные значения ПДК во многом субъективны и мало отражают возможные последствия, о которых мы пока еще очень мало знаем. Так, например, за ПДК содержания загрязнителя в воздухе принимается такая концентрация, которая вызывает изменения в характеристике безусловного сгибательного рефлекса у кроликов при сорокаминутном воздействии. Единственно, о чем говорит такая характеристика, что превышать эти значения ни в коем случае нельзя. Поэтому когда мы слышим о многоразовом превышении ПДК какого-либо загрязнителя в каком-нибудь конкретном районе, где живут люди, это должно, вообще-то, восприниматься, как сигнал к эвакуации.

Более правильным было бы в качестве критериев принимать такие значения предельных концентраций загрязнителей, превышение которых приводит к необратимым разрушениям в экосистемах данного региона. Однако мы не имеем достаточной информации об этих процессах. В этом отношении всех экологов можно разделить на:

  • оптимистов, утверждающих, что жизненная сила биосферы практически безгранична;
  • пессимистов, считающих, что сейчас буквально во всех промышленно развитых районах превышены все ПДК (поэтому их еще называют алармистами от немецкого слова аларм - тревога);
  • реалистов, которые пытаются найти компромисс между природой и человеком, путем установок разного рода нормативов для нашего воздействия на природу.

Кто из них более прав, покажет только будущее.

Установить объективные нормативы практически невозможно, но все же это лучше, чем ничего. Нормативы устанавливаются как на выброс загрязнителей в окружающую среду, так и на потребление ресурсов. В настоящее время практически все производства имеют экологические нормативы. Указанные рамки определяются «как желательным для человека состоянием экосистем, его социально-биологической выносливостью, так и хозяйственными соображениями». Как это ни печально мы еще не научились принимать в учет никаких других соображений, кроме тех, которые непосредственно связаны только с человеком.

Важным шагом в прогнозировании последствий нашего вмешательства в природу явилось бы создание высокоэффективных моделей экосистем и биосферы в целом. В этом направлении есть уже достаточно интересные успехи, которые оказывают положительное воздействие на изменение человеческого отношения к природе. Так компьютерная модель «ядерной зимы» созданная нашим соотечественником Н.Н.Моисеевым приобрела общемировую известность и сыграла одну из решающих ролей в объективной оценке последствий атомной войны, что в значительной степени способствовало прекращению холодной войны. К сожалению, локальные экосистемы в отличие от такой глобальной системы, как биосфера в целом, менее предсказуемы, труднее моделируются и хуже удовлетворяют результатам моделирования. Это закон статистики, или закон больших чисел. Так же как и отдельные организмы, локальные экосистемы менее предсказуемы. Поэтому возникает интересный парадокс: чем локальней экосистема, тем больше параметров должно быть учтено при моделировании. Даже сейчас такие задачи под силу только очень мощным компьютерам. При этом никто не гарантирует стопроцентного успеха - все эти модели вероятностные.

14.6. Экономика и экология

Экономика является главным препятствием на пути сохранения природной среды. Основа антагонизма между экономикой и экологией лежит в природе рынка, который начинает давать сбои, когда в него вмешиваются с разного рода нерыночными отношениями. В экономической литературе отмечено, что недостатки в работе рынка происходят тогда, когда общество считает некоторые ценности более или менее желательными, чем это обозначается рыночными ценами.

Любая сложившаяся система, которая держится на совокупности тесных взаимозависимых отношений, является аналогом живого организма. Любое стороннее вмешательство в физиологию этого организма равносильно ранению или же инфекционному заболеванию. Хотя рынок постоянно совершенствуется и последовательно охватывает все большие сферы человеческой деятельности, его сущность практически не меняется. Давно отмечено, что рынок равнодушен к человеческим проблемам, он не знает ни жалости, ни вражды, он признает лишь холодный расчет в соответствии со своей шкалой ценностей. В то же время он живой и активный, ему свойственна стратегия жизненной экспансии и, как все биосистемы с J-образной динамикой, он совершенно не волнуется о будущем, то есть тяга к экспансии в нем перевешивает инстинкт самосохранения.

Во всех странах независимо от политической системы наибольшую ценность имеет то, что создано руками людей. Стоимость любого товара оценивается по количеству вложенных в него средств, сил, времени. Природные богатства, которые даются человеку даром, на рынке ценятся очень мало. Например, стоимость природных ископаемых определяется лишь усилиями по их добыче. Практически не имеет никакой ценности воздух, которым мы дышим. Поэтому любые вложения средств в защиту окружающей среды экономически не выгодны

Единственной силой, способной противостоять рынку, является государство, которое также представляет собой псевдоживое образование, но более древнее, и для него уже отлажены механизмы стабилизирующей отрицательной обратной связи, которому также не чужда тяга к жизненной экспансии. Зачастую интересы рынка и государства совпадают, но государство более чувствительно к людским судьбам, поэтому в отношении к экологии рынок и государство противостоят друг другу. Пока еще государство более сильно, чем рынок, поэтому оно зачастую сдерживает рыночный напор. Только благодаря государству существуют заповедники очистные сооружения, дымоуловители и прочие совершенно не нужные с точки зрения рыночной экономики вещи. Государство, устанавливая систему законов по охране природы, сдерживает экспансию экономики. Мы можем спорить о достоинствах самого государства, но в отношении экологии, это единственная сила, на которую можно возлагать какие-то надежды.

Проводились также неоднократные попытки реконструировать и усовершенствовать рыночные отношения так, чтобы забота о потомках приобрела значимую рыночную ценность. Над этим работали видные экономисты. Но все эти нововведения чужды природе рынка, не подчиняющемуся академической экономике, и поэтому могут быть внедрены только при непременном условии нажима со стороны государства или каких-то других политических структур, обладающих реальной силой, опирающейся, в конечном счете, на оружие.

Однако государство постепенно сдает свои позиции под натиском рынка, который пускает в ход свои испытанные средства, надавливая на самые неприятные стороны человеческой души: жадность, зависть, стремление к роскоши и т.п. Все чаще в политике звучит требование не вмешивать политику в экономику, дать экономике свободно развиваться, избавить экономику от «чрезмерного» государственного регулирования.

Главным оружием рынка в борьбе с государством является его интернациональность. Ни одна сила не смогла бы так крепко спаять международное содружество и обуздать агрессивную сущность государства, как международный рынок. Возможно, не за горами осуществление мечты многих людей о создании единого общепланетного государства, которое смогло бы положить конец всем войнам на Земле. Это можно было бы только приветствовать, если бы не тот факт, что сущность грядущего общепланетного государства чисто рыночная. Это значит, что рынок встанет над всеми национальными государствами и силой высшей власти сможет диктовать им свои условия. Это значит, что государство перестанет быть регулятором рынка, его лимитирующим фактором. Это значит, что роль всяких нерыночных ценностей может быть снижена до минимума. Что тогда будет с экологией, предсказать не трудно.

Правда, современность характеризуется не только усилением рыночного апокалиптического зверя. В защиту природы поднимаются те, на кого рыночные ценности не оказывают особого действия. Они также идут по пути интернационального объединения, создавая не менее мощные международные организации. С самого начала ясно, что им не удастся завладеть инициативой, и в новом общепланетном государстве они будут составлять оппозицию. В оппозиции будут, скорее всего, и разного рода национальные образования. Кто победит в грядущем противостоянии, от которого зависит будущее планеты? Времени осталось мало.

14.7. Экологическое право и международное сотрудничество в области охраны окружающей среды

Природу нельзя охранять в отдельно взятой стране, она не имеет государственных границ. Поэтому меры по защите природы (от нас самих) могут быть эффективными только при обязательном условии выполнения определенных требований со стороны всех государств. Поэтому огромную роль в этом деле играют международные общественные и политические организации. В частности одной из самых влиятельных организаций является ООН (Организация Объединенных Наций), а также ЮНЕСКО (Организация Объединенных Наций по вопросам образования, науки и культуры), все большую роль начинает играть всемирное движение «зеленых». Огромное значение имеют регулярные международные конференции по охране окружающей среды, проходящие на уровне глав государств и правительств. В результате на свет появляются разного рода международные конвенции, соглашения, пакты, законы, постановления, которые, в принципе, являются обязательными для всех государств планеты. К злостным государствам-нарушителям могут быть применены всякого рода санкции, особенно экономические, вплоть до военных.

Основной мотив международного экологического права может быть выражен фразой, записанной в Декларации Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде (1972г.): «Человек имеет право на свободу, равенство и благоприятные условия жизни в окружающей среде, качество которой позволяет вести достойную и процветающую жизнь, и несет главную ответственность за охрану и умножение окружающей среды на благо нынешнего и будущих поколений». В Декларации конференции ООН по окружающей среде и развитию, проходившей в Рио-де-Жанейро в июне 1992г., записано: «Охрана окружающей среды должна стать неотъемлемым компонентом процесса развития и не может рассматриваться в отрыве от него; право на развитие должно реализовываться таким образом, чтобы в равной мере обеспечить удовлетворение потребностей в развитии и сохранении окружающей среды как нынешнего, так и будущих поколений».

Нормы международного права с тем или иным успехом дублируются в природоохранных законодательствах конкретных государств. Так, например, в Конституции Российской Федерации сказано «о праве каждого на благоприятную окружающую среду, достоверную информацию о ее состоянии, на возмещение ущерба, причиненного его здоровью или имуществу экологическим правонарушением; об обязанности каждого сохранять природу и окружающую среду, бережно относиться к природным богатствам». Имеются у наших граждан и другие конституционные права, связанные с экологическими вопросами.

Головным актом в области экологии является Закон Российской Федерации «Об охране окружающей среды». Он регламентирует объекты охраны, компетенцию органов государственной власти и местного самоуправления, права и обязанности граждан в области охраны природы, экономический механизм охраны природы и многое другое. Согласно этому закону приоритет отдается охране жизни и здоровью человека. От государственных органов, предприятий и учреждений требуется руководствоваться научно обоснованным сочетанием экологических и экономических интересов общества, гласностью в вопросах экологии и т.п. Имеются и другие правовые документы экологического законодательства.

За нарушение экологического законодательства в зависимости от тяжести преступления предусмотрена ответственность:

  • дисциплинарная и гражданско-правовая (возмещение экологического ущерба, штраф), например, в случае неумышленного уничтожения или порчи объектов природы, загрязнения среды и т.п.;
  • административная (административное взыскание, приостановление работ, прекращение права природопользования и т.п.), например, в случае нарушения установленного порядка лесозаготовок, нарушения правил восстановления лесов, выбросов загрязняющих веществ с превышением нормативов, нарушения правил эксплуатации очистного оборудования и т.п.;
  • уголовная (лишение свободы за особо тяжкие преступления против природы и окружающей среды), например, за поджоги лесов, нарушение ветеринарных правил, незаконную охоту, особо опасные загрязнения среды и т.п.

Особо повышенные требования предъявляются к промышленным предприятиям, которые должны обеспечить в своей деятельности ряд санитарно-гигиенических норм, например, нормы качества воды, воздуха, нормы выбросов вредных веществ и т.п. Эти нормы могут регламентироваться как законами, так и разного рода нормативными документами, например, общими нормативными документами (ОНД), строительными нормами и правилами (СНиП) и другими, в которых инженерно-технические решения увязаны с экологическими нормативами. Несоблюдение этих норм влечет за собой привлечение к ответственности.

Правовая сторона экологии, так или иначе, закрепляет чаяния основной массы людей в законодательной базе. Но ввиду определенной инертности нашего мировоззрения до идеи превалирования интересов природы над интересами человека нам еще далеко. Так, на разного рода встречах, которые сопровождали работу конференции в Рио-де-Жанейро, был распространен, так называемый, Гейдельбергский Призыв, подписанный 300 видными учеными, включая 52 нобелевских лауреата. Он адресован главам государств и правительств, и в котором ученые заявляют «о всемерной готовности приложить усилия для сохранения нашего общего достояния - планеты Земля». Однако человек остается верен самому себе, поэтому в числе прочего в данном призыве говорится: «Мы утверждаем, что Государство Природы, идеализируемое некоторыми движениями, не существует и, видимо, никогда не существовало с момента появления человека в биосфере, поскольку прогресс человечества всегда был связан с использованием Природы для своих нужд, а не наоборот». Это значит, что Природа не может рассчитывать на нашу милость. Даже, стоя на краю пропасти, мы не раскаемся, а будем упрямо предъявлять свой счет Природе. О каком же будущем мы мечтаем?

14.8. Концепция устойчивого развития

В июне 1992 года в Рио-де-Жанейро состоялась конференция ООН по окружающей среде и развитию. На нее возлагались большие надежды, так как она проходила на уровне глав государств и правительств. Ей предшествовала значительная организационная и научная работа.

Еще в 1972 году на Стокгольмской конференции ООН была создана специальная структура - Программа ООН по окружающей среде (ЮНЕП), назначение которой состояло в проработке обозначившихся проблем. В 1987 году Всемирная комиссия по окружающей среде и развитию обострила вопрос о необходимости поиска новой модели развития цивилизации, опубликовав доклад «Наше общее будущее». Именно с этого момента в обиход вошел термин «устойчивое развитие», под которым понимают такую модель движения вперед, при котором достигается удовлетворение жизненных потребностей нынешнего поколения людей без лишения такой возможности будущих поколений. В декабре 1989 года Генеральная Ассамблея ООН приняла резолюцию, призывающую организовать на уровне глав государств и правительств специальной конференции, посвященной выработке стратегии устойчивого, экологически приемлемого экономического развития цивилизации. Был создан Подготовительный комитет, разработавший проекты основополагающих документов конференции, в том числе «Декларацию Рио по окружающей среде и развитию». Все эти документы впоследствии обсуждались на конференции и были приняты с некоторыми изменениями.

В итоге эта конференция пришла к ряду выводов. Численность населения должна быть стабилизирована, и причем быстро. Если это не сделаем мы, то это сделает природа, причем значительно более жестоко. Мы не можем обеспечить экологическую безопасность планеты в социально несправедливом мире. Задачи сохранения экологической среды невозможно решить в отрыве от задач экономического развития.

Одной из главных задач считается уменьшение разрыва в уровне жизни народов мира, искоренение бедности и нищеты. При этом следует учесть, что сейчас на долю трех четвертей населения Земли приходится лишь одна седьмая часть мирового дохода, каждый ребенок в развитой части мира потребляет в 20-30 раз больше, чем ребенок в стране третьего мира. Вместе с тем путь, которым пришли к своему благополучию развитые страны, неприемлем для человечества в целом, так как благополучие развитых стран построено в значительной мере за счет нереализованного благополучия развивающихся стран.

Переход на рельсы устойчивого развития - это процесс революционных изменений в мире, требующий нового мышления. Развитые страны признают ту ответственность, которую несут, участвуя в международных усилиях в целях достижения устойчивого развития, с учетом того, какое давление они оказывают на окружающую среду и той технологии и финансовых возможностей, которыми они располагают. Страны, особенно развитые, берут на себя ряд обязательств, связанных с ограничением вредных выбросов, передачей экологически безопасных технологий развивающимся странам, выделением финансовых ресурсов для выполнения развивающимися странами своих обязательств. Была принята также конвенция ООН о биологическом разнообразии, предписывающая государствам нести ответственность за сохранение и устойчивое использование своих биологических ресурсов. Было заявлено также, что государства имеют суверенное право на использование, управление и развитие своих лесов в соответствии со своими потребностями и уровнем социально-экономического развития. В то же время признано, что необходимо принять меры по увеличению лесного покрова планеты, особенно это относится к развитым странам.

Наиболее интересно то, что на данной конференции была принята «Повестка дня на 21 век» (общий объем 560 страниц), из которой вполне ясно, как нам видится наше будущее и будущее планеты в 21-м веке. Здесь констатируется, что противоречия между характером развития цивилизации и природой достигли предела. Дальнейшее движение по этому пути ведет к глобальной катастрофе. Мы должны либо заморозить процесс наращивания промышленного потенциала, узаконив разделение мира на богатых и бедных, либо найти подход к проблемам сбалансированного развития с учетом состояния окружающей среды с ориентацией на повышение уровня жизни населения всей планеты на основе удовлетворения основных потребностей человека. Человечество выбирает второй путь. Акцентируется внимание на необходимость изменения структур потребления, как на уровне промышленности, так и на уровне отдельных лиц, указывая на чрезмерный спрос и нерациональный образ жизни среди богатых слоев населения. Для этого предлагается проводить активную пропаганду новых систем ценностей, способствующих формированию рациональных структур производства и потребления. В плане сдерживания роста численности населения, ввиду деликатности темы, предлагается решать эти вопросы путем осознания проблемы самим обществом. В плане охраны и укрепления здоровья человека предлагается еще больше развивать системы здравоохранения. Предлагается поощрять развитие городов средних размеров. Подчеркивается, что право на надлежащее жилье является одним из основных прав человека. Отмечается важность разработки эффективной законодательной базы и программы по обеспечению соблюдения принимаемых законов по охране природы.

В последующих частях документа рассматриваются вопросы защиты атмосферы, рационального использования земель, борьбы с обезлесением и опустыниванием, сохранения биологического разнообразия, защиты морей и водоемов, вопросы использования токсичных веществ, экологически безопасного удаления опасных отходов и т.д.

Кроме того, особо рассматривается возможность усиления роли основных групп населения: женщин, детей и молодежи, коренных народов и местных общин, неправительственных организаций, профсоюзов, промышленников, ученых, фермеров. Подчеркивается роль науки и просвещения в деле достижения устойчивого развития, роль международного сотрудничества и т.д.

При знакомстве с обзором материалов конференции складывается впечатление, что все это мы уже «проходили». Не случайно через три с половиной года после конференции ее непосредственный участник от России академик В.А. Коптюг с группой авторов пишет, что «между представителями различных государственных ведомств и научных коллективов возникла дискуссия, а затем своего рода конкуренция за право исключительного толкования, «обладания и распоряжения» термином «устойчивое развитие», в связи с этим возникла опасность в очередной раз «заблудить» и «заболтать» общество». Это характерно не только для нашей страны. Так уже в ходе конференции выяснилось о намерении США добиваться в будущем изменений некоторых положений конференции. Многие излишне альтруистские уступки со стороны развитых стран США просто не поддержали, оказавшись тем самым в оппозиции ко всему миру.

Не отрицая несомненных заслуг данной конференции в деле перестройки человеческого менталитета, следует признать, что мы пока оказались неготовыми к революционным изменениям своего отношения к природе. Свидетельство этому полное отсутствие каких-либо существенных результатов, спустя уже более десяти лет после конференции. По сути дела, о ней почти забыли. А рост неравноправия и нищеты продолжается. Дело дошло до войны в самом центре Европы. Так, может быть, развитые страны только успокоили человечество, заявив, что выбирают второй путь развития цивилизации, а на самом деле ориентировали все свои ресурсы на укрепление первого пути - пути силового закрепления разделения мира на богатых и бедных?

Но даже если бы все государства как один приняли положения конференции как непреложный закон, явилось ли бы это коренным изменением нашего отношения к природе? Основной лейтмотив конференции звучит по-старому: все во имя человека, все во благо человека, и если даже ради природы, то только для человека. Настоящий гуманизм не может строиться на трупах животных, которыми мы «устилаем» свою дорогу в будущее. Мы много говорим о будущих поколениях, но не хотим видеть одной простой вещи: удовлетворение наших возрастающих потребностей несовместимо с надеждой на жизнь наших потомков. Как бы мы не любили людей, но, сгубив планету, мы погубим все надежды на какое-то будущее. Среди библейских заповедей на первом месте стоит заповедь «возлюби Господа Бога твоего всем сердцем твоим и всею душою твоею и всем разумением твоим» [Мф 22:37], и только на втором месте стоит заповедь «возлюби ближнего твоего, как самого себя» [Мф 22:39]. Почему? Потому что если клетки моего организма возлюбят своих собратьев больше, чем меня, как целостный организм, как высшую иерархию, то погибну и я и все мои клетки. Так же и я должен возлюбить планету больше, чем себя, и больше, чем ближних. Ибо без ее благополучия все мы обречены. Но это не значит, что я должен стать человеконенавистником. Человек - это величайшее творение природы, хранящее в себе подобие Творцу. Великая миссия на него возложена и великую жертву он приносит на алтарь Высшей Иерархии - падая и вновь вставая, погибая и возрождаясь в потомках, страдая и радуясь, человек ищет ту единственную тропинку, которая пока еще никому неизвестна, которая позволит природе сделать еще один шаг на пути величайшей стратегии жизни - глобального эволюционного процесса. Поэтому мы имеем право на ошибку. Поэтому вся надежда природы - на нас. Так будем же достойны этой надежды и не унизимся до меркантильности!

Ведь человеку надо совсем немного в материальном плане. В то же время человек богат такими запросами, которые вовсе не унижают, а, наоборот, возвышают человека. «Не собирайте себе сокровищ на земле, где моль и ржа истребляет и где воры подкапывают и крадут, но собирайте себе сокровища на небе, где ни моль, ни ржа не истребляет и где воры не подкапывают и не крадут, ибо где сокровище ваше, там будет и сердце ваше» [Мф 6:19-21]. Земные сокровища исчерпаемы, в борьбе за них человек становится врагом другим людям, и не только людям. Но есть сокровища неисчерпаемые, чем больше их черпаешь, тем больше их остается, и при этом никогда ничего ни у кого не отнимаешь, вот куда должны мы направить все свои помыслы.

Человек обладает уникальной возможностью творить новые экологические ниши, количество которых может возрастать до бесконечности, не упираясь в насыщение. Мы создали религии, искусство, науку, кто знает, в какие еще высоты поднимет нас данная нам от Бога способность творить. Разве не знаем мы, что истинно увлеченный человек способен творить до самозабвения, забывая про еду, испытывая настоящее наслаждение? Разве похож он на человека, страстно мечтающего увеличить сумму на банковском счету? Почему же мы не идем в этом направлении? Почему предпочитаем истязать природу ради материальной выгоды? Ответ существует уже давно: так проще. Ведь иначе придется менять не что-то или кого-то, а самого себя, а это всегда гораздо сложнее. Хотя давно нас предупреждали: «Входите тесными вратами, потому что широки врата и пространен путь, ведущие в погибель, и многие идут ими; потому что тесны врата и узок путь, ведущие в жизнь, и немногие находят их» [Мф 7:13-14]. Мы как ленивые школьники, вечно пытающиеся убежать с уроков, но жизнь терпеливо возвращает нас к нашим проблемам, повторяя вновь и вновь: «Ищи выход! Ты должен найти решение! На тебя вся надежда!».

ПОВТОРИМ

  1. Особенности экологии сельского хозяйства.
  2. Основные направления развития инженерной экологии.
  3. Проблемы экологии города.
  4. Экологическая оценка проектов создания микрокосмов.
  5. Оценка влияния человека на окружающую среду.
  6. Особенности влияния рыночных отношений на экологию.
  7. Экологическое право и международное сотрудничество в области охраны окружающей среды.
  8. Концепция устойчивого развития.

Заключение. Будущее человечества


А есть ли вообще у человека будущее? Может быть, человек - это всего лишь неудачный эксперимент природы? Может быть, природа потерпит, подождет, пока мы сами себя не уничтожим, затем обновится и забудет про нас? Правда, это противоречит закону необратимости эволюции: филогенетическое дерево растет в основном в вершине, пальмовая ветвь эволюции принадлежит самым высокоорганизованным видам. Но, может быть, мы просто знаем не все законы?

Может ли, в принципе, человек гармонично вписаться в природу? Мы знаем примеры некоторых оторванных от цивилизации племен в Австралии, Африке и Латинской Америке, в некоторых случаях не знакомых даже с земледелием. Действительно, люди здесь являются частью экосистемы, занимая определенное место в ее пищевой структуре, как правило, нишу хищников, хотя, конечно, не исключаются и другие способы добывания пищи, например, сбор плодов или даже примитивное земледелие (примитивное в понимании цивилизованного человека).

Что касается нас, то примеров гармоничного сосуществования с природой здесь найти труднее, особенно если в учет принимаются наши технические достижения. Да и недостойно как-то опускаться до уровня первобытного человека. Эволюция необратима. Можно ли войти в гармонию с природой, не растеряв при этом достижений цивилизации?

В принципе, никаких запретов на это нет. Поэтому предлагается масса проектов будущего. Практически все современные проекты предполагают, что человек и природа должны сосуществовать в гармонии. Правда, наиболее признанные проекты продолжают идею главенства человека над природой. Эти проекты ведут человечество к гибели. Так возможен ли вообще какой-нибудь выход? Конечно, возможен. Но нужно обязательно признать, что человек есть составляющая организма планеты Земля, которая должна быть подчинена планете и служить ей во благо всего живого, а не во благо самому себе. К этой мысли приходит все большее количество самоотверженных людей, о чем говорит, в частности, рост популярности движения «зеленых». Они пока еще слишком слабы и не могут должным образом влиять на политику, но рано или поздно человеку суждено понять, что единственный выход для него в коренной ломке своего отношения к природе.

Понятие жизни должно быть значительно расширено. Человек, являясь многоклеточным существом, а значит, следствием агрегации одноклеточных существ, одновременно входит составным элементом в другое агрегированное образование более высокого иерархического уровня. Этот уровень гораздо сложнее и богаче, чем мы можем себе представить, как богаче жизнь многоклеточного существа по сравнению с жизнью одной клетки. Мы не можем поверить, что это образование обладает сознанием. Возможно, это и так, но тот аналог сознания, которым оно обладает, гораздо мощнее и невообразимо сложнее нашего человеческого сознания. И самое главное, что мы нужны ему, и он по-своему заботится о нас, так же как мы заботимся о каждой клетке своего организма, часто на совершенно бессознательном уровне, называя это физиологией своего тела. Но иногда «клеточные проблемы» доходят и до нашего сознания, проявляясь в форме боли, вынуждающей нас повысить заботу о своем теле. Трудно представить, какую боль ощущает сегодня планета, люди которой, возомнившие себя ее хозяевами, творят беззаконие, прикрываясь благородными идеями гуманизма, ломая и перестраивая под себя то, что создавалось миллионами лет.

Единственное будущее, возможное для человека – покаяние. Как блудный сын возвращается к отцу, так человечество должно вернуться к тому, кто его сотворил и, вспомнив свое предназначение, устремиться к более высоким целям, по сравнению с которыми цели покорения планеты выглядят детским лепетом, точнее, детской болезнью, которой мы должны переболеть, как можно быстрее, пока еще планета терпит.

Особенность современной цивилизации в том, что человек предпочел изменять не себя, а окружающую среду. Это тоже путь, которым идет весь живой мир. Любая популяция, любое живое существо вносит определенный вклад в изменение окружающей среды. Но этот путь не единственный, к тому же похоже на то, что он себя исчерпал, потому что человек превысил все лимиты воздействия на природу. Самое время обратить внимание на другой объект приложения своих сил - самих себя. Помимо средообразующей функции, у жизни есть другая замечательная черта - самосовершенствование, адаптация к условиям среды, вплоть до образования совершенно новых видов живых существ. На этом пути у нас нет практически никаких ограничений для прогресса. Наделенный мощью разума, современный человек может сделать в этом направлении за относительно короткое время такие грандиозные успехи, на которые природе потребовались бы, возможно, миллионы лет. Может быть, именно в этом наше предназначение, может именно для этого создала нас природа? Ведь согласно закону ускорения эволюции, с ростом сложности организации биосистем темпы эволюции возрастают. У природы должны быть механизмы ускорения эволюции. Может быть, наш разум - это и есть один из подобных механизмов?

Человек не может существовать вечно, не изменяясь. Рано или поздно от него должна пойти мутовка новых видов живых существ, некоторым из которых суждено несколько деградировать по сравнению с нами, другие, наоборот, уйдут в такие высоты совершенства, которые нам трудно представить. Например, Циолковский считал, что рано или поздно человек обретет лучистую форму существования. Может быть, это полная фантастика. Но вот мысль Вернадского о возможности существования автотрофного человечества, имеет самое прямое отношение к нашей теме. Ведь если бы человек смог из разряда гетеротрофов перейти в разряд автотрофов, это полностью сняло бы все наши современные проблемы. Мы перестали бы быть потребителями природы, человек стал бы самодостаточным. Ни о каком ограничении численности такого человечества вопроса уже не стояло бы. Такому человеку не нужна пища в привычном для нас смысле, он мог бы сам синтезировать все необходимые для жизни компоненты, потребляя их непосредственно из буферных зон планеты, где они присутствуют в рассеянном виде.

Откуда же человек будет черпать энергию? А откуда берут ее автотрофы Земли? От Солнца. Получается, что человек должен научиться синтезировать хлорофилл и покрыться листвой, чтобы увеличить площадь поглощения света? Правда, существуют еще и хемосинтезирующие автотрофные организмы, для жизнедеятельности которых свет не нужен. Но они могут жить только за счет энергии планеты, которая уже достаточно сильно остыла. Нам пришлось бы в прямом смысле уйти под землю (может быть, однажды жизнь уже прошла этим путем, кто знает, что творится в недрах планеты). В общем это тоже нереально. Правда, есть возможность использовать атомную энергию, и здесь уже фантастика становится не такой уж беспочвенной. Придется, конечно, воспользоваться своими техническими достижениями. Например, мы можем построить себе автотрофный скафандр, который будет обеспечивать все наши насущные потребности. Еще проще построить централизованные станции по синтезированию искусственной пищи. Это тоже вариант автотрофного человечества, и не такой уж и фантастичный. Мы уже частично научились это делать. Другое дело, что у нас просто не хватит времени на столь грандиозные проекты. Нельзя ли достичь автотрофности без “технических костылей”, а за счет своих внутренних возможностей? Ведь до сих пор природа находила выходы из самых безвыходных ситуаций.

Не существуют ли какие-то другие формы энергии, которые мы уже непроизвольно используем в своей повседневной жизни, сами того не подозревая? Здесь уже говорилось о необходимости расширить понимание феномена жизни, может быть и понятие энергии уже пора расширить, чтобы не сдерживать свое развитие своими же стереотипами? Не вдаваясь в подробности, можно предположить, что энергия имеет информационную природу. Вообще это тема отдельного предмета. Коротко эту гипотезу можно сформулировать следующим образом. Любой энергообмен можно вписать в концепцию информационного обмена. Например, электромагнитная энергия рождается вследствие информационного обмена на уровне заряженных микрочастиц. Если продолжить линию рассуждений вдоль цепи возрастания сложности природных систем, то в конечном итоге мы придем к признанию существования так называемой психической энергии, рождающейся в процессе обмена информацией между высокоорганизованными живыми существами. Именно эта энергия дает организму жизненную силу. Я могу хорошо питаться, но при этом быть совершенно инфантильным, слабым и безжизненным. Для того, чтобы начать активную жизнь мне нужен определенный интерес, цель и т.п. Другими словами, нужно различие между тем, чего я имею, и тем, чего могу иметь. Это и есть энтропийный градиент, обозначаемый понятием сила или свободная энергия, в данном случае психическая или ментальная.

Остается только научиться умело ассимилировать эту энергию. Наибольшая трудность состоит в том, чтобы «опустить» ее на уровень физиологии нашего организма, которая настроена на потребление более древних форм энергии. Придется сформировать цепи последовательных стадий преобразования энергии из одних форм в другие. По-видимому, этот процесс идет уже давно. Свидетельством тому являются неединичные случаи целенаправленного использования психической (а также ментальной и духовной) энергии, которые ставят в тупик академическую науку, заставляя ее отрицать все эти факты, потому что «этого не может быть». Однако количество этих фактов настолько велико, что наука уже не в состоянии их игнорировать, так же как когда-то она вынуждена была признать существование «камней, падающих с неба». В результате рождаются все новые лаборатории по изучению паранормальных явлений, где серьезные люди, рискуя своей научной репутацией, пытаются отсеять «золото» истины от шарлатанства.

История подвижничества знает множество примеров воздержания в пище. Так, например, Исаак Сирин пишет о старце, который вкушал пищу всего два раза в неделю (пища старцев состояла в основном из сухарей). Известно, что Серафим Саровский долгое время питался одной снытью (трава семейства зонтичных). Известен случай, когда забытая людьми пожилая монахиня три года жила на одной крапиве. В то же время во всем мире люди умирают от голода даже там, где растительность гораздо более богатая, чем в нашей полосе. Чем объяснить эти феномены? Известно, что без пищи человек может жить около 35 дней. Некоторые шахтеры, отрезанные от мира завалами, погибали от голода еще раньше. В то же время йоги практикуют 60-ти дневные голодовки, утверждая при этом, что организм может выдержать и больше, но в этом случае в нем могут начаться необратимые изменения. Ходят даже легенды о людях, которые после этих необратимых изменений вовсе не умирали, а продолжали жить многие годы, больше никогда уже ничем не питаясь. Некоторые люди питаются один раз в день. Поддерживать такой режим достаточно сложно, нужен мощный источник вдохновения, например, такой, каким являлась для православных старцев их вера в Бога, или, по крайней мере, очень интересное и полезное дело, заветная цель и т.п. Может быть, это и есть та энергия, освоив которую человек сможет сначала существенно сократить свой пищевой рацион, а потом, как знать, вообще отказаться от гетеротрофного питания?

Так, может быть, автотрофное человечество - это вовсе не утопия? Может быть, мы уже нащупали источник безграничной энергии и остается только целенаправленно развивать открытые способности? Человек - это уникальное создание природы, хранящее в себе потенции такой мощи, с которыми не идет в сравнение никакая техника, хотя, конечно, никто не отрицает возможности технического дополнения человеческих способностей.

Время средообразования закончилось, пришло время адаптаций. Единственный выход для человека в том, чтобы свернуть с пути преобразования природы и встать на путь самосовершенствования. Если бы мы применили в этом направлении всю мощь нашей цивилизации, то в самое короткое время смогли бы найти выход из экологического тупика. Кто-то из огромной массы исследователей обязательно нашел бы верное решение, известил бы о нем все человечество, и волна адаптационных изменений как цепная реакция вскоре прокатилась бы по всему человечеству, возвращая его в лоно природы.

Самое первое препятствие на этом пути - склонность человека к излишествам. Сможем ли мы отказаться от излишеств? Именно наше стремление к роскоши создает наибольшее давление на природу. Можно возразить, что в основной своей массе мы вовсе и не мечтаем о роскоши, нам бы удовлетворить свои самые насущные проблемы, сначала избавиться хотя бы от голода и болезней. И все же здесь мы лукавим. Стремление к роскоши сидит у нас в крови. Человек всегда стремился повысить свой жизненный уровень. А когда ему это удается, то он быстро привыкает к новому состоянию и любое его ухудшение воспринимает как обнищание. Поэтому у человеческих потребностей есть только одна тенденция - к неограниченному росту, обратного хода у них нет. В этом заложена огромная мудрость природы. Она сама идет этим путем, творя все новые экологические ниши, способствуя тем самым усложнению форм жизни. Когда рост каких-либо потребностей достигает своего насыщения в виду ограниченности средств их удовлетворения, человек испытывает дискомфорт и ищет пути создания новых потребностей. Например, на основе потребности в пище мы создали сельское хозяйство, появилась потребность в орудиях труда. В ответ на это мы создали промышленность, появилась потребность в знании законов природы. Мы создали науку, появилась потребность в расширении инструментальной базы. Процесс этот бесконечен, как бесконечно само творчество. Наша беда в том, что, потеряв связь с природой, мы перестали ощущать ее боль и продолжаем безудержно расширять сферу своих потребностей во внешний мир.

Но имеется и другое направление, где рост потребностей ничем не может быть ограничен и не знает насыщения, как ненасытна сама фантазия. Это потребности бесконечно расширяющегося внутреннего мира. Каждый человек несет в себе целую Вселенную, которая в своей динамике, по-видимому, повторяет алгоритм развития внешней Вселенной, как того и требует биогенетический закон. В результате мы уже «изобрели» и продолжаем изобретать новые уровни потребностей, расширяющихся во внутренний мир человека, емкость которых с каждым таким открытием все более растет. Это потребности в духовном самосовершенствовании, саморазвитии, подвижничестве. На этом пути человек изменяет не окружающую среду, а самого себя, становясь от этого духовно богаче, не разрушая природу, а наоборот, сливаясь с ней. В отличие от главного достоинства наших политиков - постоянства взглядов, главное достоинство подвижника - изменчивость. Измени себя к лучшему – и ты станешь богаче и счастливей. В отличие от внешних ценностей этот мир у тебя никто не отнимет, он всегда с тобой, и счастье твое уже не зависит от внешних обстоятельств, оно никогда не покидает тебя. Не надо ловить синюю птицу в небе, создай ее внутри себя.

Внешний мир может оказать значительную помощь на пути подвижничества. Ведь он постоянно дергает тебя, бьет и колет. Но если тебе больно, значит, здесь твое слабое место. Это как раз то, что нужно изменить в себе, чтобы стать еще сильнее, совершеннее, на целую ступень выше. Вместо атакующего врага, для подвижника внешний мир превращается в мудрого учителя. Поэтому подвижник радуется каждому удару и каждому искушению, как новому уроку, который сделает его еще богаче. Православные старцы глубоко печалились, когда в их жизни начиналась полоса сплошного везения, они говорили: «Неужели Бог забыл меня, или я встал на неправильную тропинку, раз перестал ощущать Его направляющее воздействие». Поэтому подвижник никогда не жалуется на судьбу и на трудности жизни - это его школа, его подвиг (от слова подвигаться, продвигаться).

Конечно, всегда есть опасение, что давление внешней среды будет слишком мощным, и у тебя не хватит сил, и ты сломаешься. На это опасение в среде подвижников бытует поверье, что испытания тебе даются всегда по силам, ты можешь справиться с ними, если не испугаешься и не сбежишь с «урока жизни», выбрав вместо сложного и узкого пути, «ведущего в жизнь», широкий и легкий путь, «ведущий в погибель». Но жизнь обязательно найдет тебя и повторит урок уже в более жесткой форме. Если ты опять сбежишь, следующий урок будет еще жестче. И так до тех пор, пока ты не выучишь урока. И бесполезно бежать и прятаться - от себя не убежишь, твой урок будет преследовать тебя по пятам. Ведь ты не исправил в себе больного места, а в хаосе жизни обязательно найдется тот, кто надавит тебе на эту болячку. И эта боль будет постоянно преследовать тебя. Это относится ко всем, не только к подвижникам. Отличие подвижника в том, что он не сбегает с уроков, а терпеливо ищет решение. Это и называется смирением. Не с судьбой, и не с неудачами, и не с насилием смирятся подвижник, а с необходимостью обязательно найти правильное решение.

Поэтому подвижник с каждым днем становится сильнее. И это видят те, кто окружает его. Он всегда спокоен и счастлив, даже если кругом бушует буря житейских неурядиц. Современному человеку этого так не хватает. Психически истощенный, он не видит выхода из своих проблем и нередко озлобляется на весь окружающий мир. В результате тучи раздражения и гнева все плотнее окутывают Землю. И так мало подвижников, которые могли бы продемонстрировать таким заплутавшимся в себе людям преимущества пути самосовершенствования. Многие из них затворились в монастырях, но пришло время подвижников в миру. Потому что мир вступил в критическую фазу своего существования. Идет Страшный Суд.

Но цивилизация уже начала свой поиск гармоничного пути. Удачи нам!

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

  1. Одум Ю. Экология: В 2-х т. Пер. с англ. - М.: Мир, 1986.- 376 с.
  2. Реймерс Н.Ф. Экология (теории, законы, правила, принципы и гипотезы) - М.: Россия Молодая, 1994. – 367 с.
  3. Воронков Н.А. Основы общей экологии: Учеб. пособие для студентов вузов и учителей. – М.: Агар, 1997. – 87 с.
  4. Кормилицин В.И. Цицкишвили М.С., Яламов Ю.И. Основы экологии: Учеб. пособие. – М.: МПУ, 1997. – 368 с.
  5. Экология: Учеб. пособие. – М.: Знание, 1997. – 288 с.
  6. Кузнецов Г.А. Экология и будущее: Анализ философских оснований глобальных прогнозов. – М.: Изд-во МГУ, 1988. – 160 с.
  7. Общая биология. Учеб.для 10 - 11 кл.сред.шк. Ю.И. Полянский, А.Д. Браун, Н.М. Верзилин и др.; Под ред. Ю.И. Полянского. – 23-е изд. – М.: Просвещение, 1993. – 287 с.
  8. Биология / А.А.Слюсарев, С.В.Жукова. – К.: Вища шк. Главное изд-во. 1987. – 415 с.
  9. Медников Б.М. Биология: формы и уровни жизни: Пособие для учащихся. – М.: Просвещение, 1994. – 415 с.
  10. Глобальная экологическая проблема / Р.А. Новиков, А.К. Жирицкий, В.И. Маракушина, Р.А. Перелет – М.: Мысль, 1988. – 206 с.
  11. Вернадский В.И. Научная мысль, как планетарное явление. – М.: Наука, 1991. – 271 с.
  12. Тейяр де Шарден П. Феномен человека. Пер. с франц.- М.: Гл. ред. изд. для заруб. стран изд-ва Наука, 1987. – 240 с.
  13. Моисеев Н.Н. Человек и ноосфера. – М.: Мол.гвардия, 1990. – 351 с.
  14. Коптюг В.А. Конференция ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, июнь 1992 года); Информационный обзор, – Новосибирск, Российская Академия наук, Сибирское отделение, 1992. – 62 с.
  15. Коптюг В.А., Матросов В.М. Левашов В.К., Демянко Ю.Г. Устойчивое развитие цивилизации и место в ней России: проблемы формирования национальной стратегии. – М.: Новосибирск, 1996. – 75 с.
  16. Цехмистро И.З. Диалектика множественного и единого. Квантовые свойства мира как неделимого целого. М.: Мысль, 1972. – 276 с.
  17. Сороко Э.М. Структурная гармония систем / Под ред. Е.М.Бабосова. – Мн.: Наука и техника, 1984. – 264 с.
  18. Югай Г.А. Общая теория жизни: (диалектика формирования). – М.: Мысль, 1985. – 256 с.
  19. Опарин А.И., Фесенков В.Г. Жизнь во Вселенной.- М.: Изд-во Академии наук СССР, 1956. – 224 с.
  20. Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. 3-е изд. – М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. литер., 1973. – 335 с.
  21. Афанасьев В.Г. Мир живого: системность, эволюция и управление. – М.: Политиздат, 1986. – 334 с.
  22. Казначеев В.П., Спиркин Е.А. Космопланетный феномен человека: Проблемы комплексного изучения. – Новосибирск: Наука. Сиб.отд-е, 1991. – 394 с.
  23. Адабашев И.И. Мировые загадки сегодня. – М.: Политиздат, 1969. – 320 с.
  24. Философский словарь. / Под редакцией И.Т.Фролова. – 5-е изд. – М.: Политиздат, 1987, – 590 с.
  25. Русский космизм: Антология философской мысли / Сост. С.Г.Семенова, А.Г.Гачева. – М.: Педагогика-Пресс, 1993.- 368 с.
  26. Лосский В.Н. Очерк мистического богословия Восточной Церкви. Догматическое богословие. – М.: Изд-ль Центр “СЭИ” Приложение к журналу “Трибуна”, Религиозно-философская серия, Выпуск 1., 1991. – 288 с.
  27. Брагин А.В., Ерофеева К.Л., Куликова О.Б. Философия природы: краткие очерки.- Иваново, 1994. – 55 с.
  28. Волькенштейн М.В. Энтропия и информация. – М.: Наука. Гл.ред.физ.-мат.лит., 1986. – “Проблемы науки и технического прогресса”. – 192 с.
  29. Шамбадаль П. Развитие и приложения понятия энтропии. Пер. с франц. В.Т.Хозяинова. – М.: Наука, Гл.ред.физ.-мат.лит., 1967. – 278 с.
  30. Пеннер Д.И., Богомолова Д.И. Самоорганизация неживой материи и ее место в преподавании физики (Основы синергетики): Методическая разработка в помощь студентам. – Владимир, Изд-во ВГПИ, 1983. – 15 с.
  31. Седов Е.А. Одна формула и весь мир. Книга об энтропии. М.: Знание, 1982. – 176 с. – (Наука и прогресс).
  32. Алексеев Г.Н. Энергоэнтропика. – М.: Знание, 1983. – 192 с. (Наука и прогресс).
  33. Кеплен С.Р., Эссиг Э. Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов (стационарное состояние): Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. – 384 с.
  34. Эйген М., Винклер Р., Игра жизни: Пер. с нем. Андреева В.М. Под ред. Волькенштейна М.В. – М.: Наука, Гл.ред.физ.-мат.лит., 1979. – 94 с.
  35. Щербаков А.С. Самоорганизация материи в неживой природе: Философские аспекты синергетики. – М.: Изд-во Моск.ун-та, 1990. – 111 с.
  36. Синергетика и психология. Тексты. Выпуск 1. “Методологические вопросы“ / Под ред. И.Н.Трофимовой и В.Г.Буданова. – М.: Изд-во МГСУ “Союз”, 1997. – 361 с.
  37. Идея гармонии в научной картине мира: Сб.науч.тр. / АН УССР. Ин-т философии. Отв. ред. С.А.Васильев. – Киев: Наук. Думка, 1989. – 140 с.
  38. Кибернетика и ноосфера. – М.: Наука, 1986.- 160с., ил. – (Серия “Кибернетика - неограниченные возможности и возможные ограничения”).
  39. Силк Дж. Большой взрыв: Пер. с англ. / Перевод Полнарева А.Г.; Под ред. И.Д.Новикова. – М.: Мир, 1982. – 391 с.
  40. Пиблс П. Физическая космология: Пер. с англ. Г.С.Бисноватого-Когана. Под ред. Я.С. Зельдовича, И.Д. Новикова, – М.: Мир, 1975. – 310 с.
  41. Фейнман Р. Характер физических законов: Пер. с англ. / Под ред. Я.А. Смородинского. – М.: Мир, 1968.- 232 с.
  42. Готт В.С. Философские проблемы современной физики: Учеб. пособие для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш.шк., 1988. – 343 с.
  43. Девис.П. Суперсила: Пер. с англ. / Под ред. Е.М. Лейкина. – М.: Мир, 1989. – 272 с.
  44. Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе: Пер. с англ. Ю.Г. Рудого. – М.: Мир, 1987. – 224 с.
  45. Гантмахер Ф.Р. Лекции по аналитической механике. – 2-е изд., испр. – М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1966.
  46. Фриш К. Из жизни пчел. Пер. с нем. Т.И. Губиной. Под ред. Халифмана И.А. – М.: Мир, 1980. – 214 с.
  47. Гроф С. Холотропное сознание. – Пер. с англ. О.Цветковой. М.: Изд-во Трансперсонального Инститкта, 1996. – 248 с.
  48. Мессинг В. Я – телепат. / Лит. запись Мих. Васильева/. – М. СП “Интеркиноцентр”, РИА “ЮГО-ЗАПАД”. – 124 с.
  49. Папюс. Первоначальные сведения по оккультизму. – М.: МИКАП, 1993. – 272 с.
  50. Моуди Р.А. Жизнь после жизни. Исследование фенмена продолжения жизни после смерти тела. – Тверь, 1991. – 99 с.
  51. Мартынов А.В. Исповедимый путь. М.: Прометей, 1990. – 164 с.
  52. Лекрон Лесли М. Добрая сила (самогипгоз). / Пер. с англ. В.Полякова. – М.: Редакция журнала “Вокруг света”, 1992. – 63 с.
  53. Ар Эддар. Трактат о питании йогов. – Подольск: Гумус, 1992. – 120 с.
  54. Лаговский В. “Математика звездных аккордов”, газета “Не может быть” (№ 1-94).
  55. Сподобаев Ю.М., Кубанов В.П. Основы электромагнитной экологии. – М.: Радио и связь,, 2000. -240с.
 
  Источник:  ©  Тихонов А.И.
Материал размещен на www.transform.ru21.02.2005 г.
 

 

Перейти в форум для обсуждения

  ©  TRANSFORMаторы 2004—2010


Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика ??????????? ????