Особый интерес представляет ответ на вопрос, действуют ли в отношении человечества лимитирующие факторы? По мнению Ю. Одума (1975) главным лимитирующим фактором является количество и качество пригодной для жизни людей среды. На одного человека требуется, по разным оценкам, от 1 до 5 га пригодных для проживания земель (сейчас – менее 2 га). Для производства полноценного питания требуется около 0,6 га сельскохозяйственных угодий на одного человека. При этом для сельского хозяйства пригодно только 24 % суши. Еще 0,4 га/чел. требуется для производства волокна, бумаги; 0,6 га/чел. необходимо для дорог, зданий и т.п. Здесь есть над чем задуматься.
Функциональными единицами биосферы Земли являются экологические системы различных типов и рангов. Ключевую роль в этих системах играют живые организмы, однако их жизнедеятельность невозможна без совокупности абиотических условий среды.
Совокупность (сообщество) живых организмов разных видов, взаимодействующих друг с другом и приспособленных к совместному обитанию в определенных условиях среды, называется биоценозом (от греч. «bios» – жизнь и «koinos» – общий).
В биоценозе взаимодействие происходит между отдельными особями разных видов организмов, но эти взаимодействия конечны – заканчиваются с гибелью особи. Поэтому основу взаимоотношений организмов в биоценозе составляют взаимоотношения между популяциями. Популяцией (от лат. «populus» – население) называется группа организмов, относящихся к одному виду и занимающая определенную область, называемую ареалом. Популяции растений в данном биоценозе образуют фитоценоз, популяции животных – зооценоз, популяции микроорганизмов – микробиоценоз. Границы биоценоза определяются, чаще всего, фитоценозом.
Биоценоз занимает определенное пространство, называемое биотопом (от греч. «topos» – место). Это пространство формирует среду биоценоза, хотя само в значительной мере преобразовано им. Вспомним, например, биотоп хвойного леса со свойственным ему микроклиматом. Взаимодействие живых организмов между собой и средой обитания проявляется в обмене веществом, энергией и информацией.
В совокупности биоценоз и биотоп формируют экологическую систему – безразмерную устойчивую систему живых и неживых компонентов, в которых совершается внешний и внутренний круговорот веществ. Термин «экосистема» был введен английским экологом А. Тенсли в 1935 г. Несколько позднее (в 1942 г.) советским экологом В.Н. Сукачевым был предложен термин «биогеоценоз», который в отличие от экосистемы, характеризует более четкую «привязку» определенного биоценоза к определенной территории с совокупностью ее абиотических условий. Экосистемы, еще раз подчеркнем, выделяются в пространстве лишь по критерию определенной завершенности обмена (круговорота) веществ между организмами и средой. То есть, любой биогеоценоз является экосистемой, но не любая экосистема может считаться биогеоценозом. Если речь идет о конкретном сообществе, занимающем определенную территорию, предпочтительнее использовать термин «биогеоценоз».
Как и живые организмы, экосистемы развиваются: появляются при заселении организмами свободных территорий, достигают зрелого состояния, деградируют, заменяясь другими экосистемами. Такое изменение – развитие и смена экосистем называется экологической сукцессией (от лат. «successio» – преемственность). В ходе сукцессии возрастает устойчивость экосистем, увеличиваются их продуктивность, биоразнообразие (разнообразие видов). Следует отметить, что увеличение биоразнообразия является фактором, повышающим устойчивость экосистем: чем больше видов организмов в экосистеме, тем больше между ними связей, тем полнее используется вещество и энергия. Каждая природная экосистема, достигшая зрелого (климаксного) состояния, представляет собой целостное образование, устойчивость которого определяется сбалансированным взаимодействием компонентов. Нарушение этого взаимодействия, связанное с внутренними или внешними причинами (например, антропогенным воздействием) приводит к дестабилизации экосистем и их деградации.
С точки зрения охраны природы фундаментальное значение имеет закон экологического равновесия. Этот закон гласит: природные экосистемы развиваются, переходя в состояние экологического равновесия между биотическими и абиотическими компонентами. В этом состоянии экосистемы могут находиться неограниченно долго.
Существует определенный порог устойчивости экосистемы, и если внешнее воздействие не превышает этот порог, то равновесие в экосистеме смещается таким образом, что эффект воздействия снижается. Это принцип Ле Шателье – Брауна: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Этот принцип учитывается при разработке предельно допустимых нагрузок (ПДН) на природные экосистемы. Важно, чтобы антропогенное воздействие не превышало порог устойчивости экосистем.
В устойчивой экосистеме большое количество энергии тратится на поддержание ее структуры (правило максимума энергии поддержания зрелой экосистемы). Поэтому зрелые экосистемы, например вековые дубовые леса, менее продуктивны, по сравнению с молодыми экосистемами (осинниками, кленовниками). Если пытаться повысить продуктивность зрелых экосистем, то их устойчивость будет снижаться, так как еще больше энергии будет тратиться на поддержание структуры. Оптимальная эффективность функционирования устойчивых экосистем всегда меньше максимальной эффективности. Это следует учитывать в управлении природными экосистемами.
Острой экологической проблемой является постоянное снижение биоразнообразия живого населения Земли, в связи с чем устойчивость экосистем планеты снижается. Человек, пытая получить максимальный урожай, создает и поддерживает монокультуры – одновидовые сообщества культурных растений, устойчивость которых очень низка. Без постоянного ухода искусственные экосистемы быстро деградируют, урожай их падает. Поддержание устойчивости жизни на Земле возможно только через сохранение биоразнообразия. Это положение следует из закона необходимого разнообразия: система не может состоять из абсолютно идентичных элементов, но может иметь иерархическую организацию и интегративные уровни.
В настоящее время в экологии сформулировано более 50 общих законов функционирования экологических систем. Однако из этого множества законов можно сделать ряд выводов, характеризующих состояние системы «человек – природа».
1. Закон бумеранга: все, что извлечено из биосферы человеческим трудом, должно быть возвращено ей. В первую очередь речь идет о восстановлении антропогенно нарушенных территорий, рекультивации и экологической реставрации экосистем.
2. Закон незаменимости биосферы: биосферу нельзя заменить искусственной средой («техносферой»). Уровень сложности биосферы на порядки превышает сложность искусственных экосистем, мощности даже самых современных информационных центров недостаточно, чтобы контролировать потоки информации, свойственные биосфере.
3. Закон убывающего естественного плодородия: повышение вложений в урожай не дает адекватного увеличения продуктивности (из-за высокого рассеяния вещества и энергии простыми агроэкосистемами), а при отсутствии вложений происходит истощение естественного запаса плодородия.
4. Закон шагреневой кожи: глобальный природно-ресурсный потенциал в ходе исторического развития непрерывно истощается, никаких принципиально новых ресурсов, которые могут появиться, нет. Наиболее дефицитными являются минеральные ресурсы, которые относятся к группе невозобновимых (рудные полезные ископаемые).
Можно также выделить ряд принципов, характеризующих отношения человека и природы. Их следует учитывать и бороться с их проявлением.
1. Принцип неполноты информации: заранее нельзя предвидеть все последствия любого преобразования природы. Это связано с возникновением цепных реакций в экосистемах из-за наличия множества связей между компонентами. Современные методы экологического моделирования и прогнозирования строятся, зачастую, на упрощенных моделях, в которых не учитывается все множество связей в реальных экосистемах.
2. Принцип обманчивого благополучия: неблагоприятные последствия появляются неожиданно, в момент увлечения успехом от преобразования природы. Наиболее «процветающие» индустриальные государства первыми сталкиваются с решением серьезных экологических проблем.
3. Принцип удаленности события: людям свойственно думать, что их потомки что-нибудь придумают для предотвращения возможных отрицательных последствий. Современная цивилизация уже давно «живет в долг» будущим поколениям. Многие технологические решения экологических проблем позволяют лишь отодвинуть кризис в будущее. Примером может быть захоронение ядерных отходов в могильниках, рассчитанных на тысячи лет эксплуатации.
В книге «Замыкающийся круг» Б. Коммонер (1974) переложил ряд законов и принципов экологии на обиходный язык и сформулировал 4 «закона» экологии:
1. Все связано со всем.
2. Все должно куда-то деваться.
3. Природа «знает лучше».
4. Ничто не дается даром.
Все приведенные законы и принципы экологии можно резюмировать следующим образом: эксплуатируя природные экосистемы, нельзя переходить некоторые пределы, позволяющие этим системам сохранять свойство самоподдержания, т.е. необходимо максимально сохранять экологическое равновесие.
► Для закрепления теоретического материала рекомендуется выполнить практическую работу 1
Тема 2. Экологические системы, их организация и функционирование
Как уже было отмечено, экологические системы представляют собой безразмерные образования, в которых единство живых организмов (биоценоза) и среды их обитания (биотопа) проявляется в постоянном круговороте вещества, обмене энергией и информацией. Базовое значение для обеспечения потока вещества и энергии в экосистеме имеют пищевые (трофические) отношения организмов.