Учебник по экологии для технических специальностей - Н.И. Николайкин. Учебник по экологии для технических специальностей - Н.И. Никола. Технические науки и по специальностям в области 650000 Техника и технологии е издание, стереотипное москва 2004
 Скачать 4.61 Mb.
|
|
12 Глава 1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИИ Рис. 1.1. Уровни организации материи (по Т. Миллеру) Вселенная Галактика Солнечная система Супермакромир или космос очень большой) Планеты Земля Биосфера Экосистемы Сообщества Популяции Организмы Область основного интереса экологии Жизнь Макромир обычный) Системы органов Органы Ткани Клетки Протоплазма Молекулы Граница Микромир очень маленький) Отсутствие жизни Атомы Элементарные частицы 1.2. Из истории экологии 13 понимали совокупность организмов и неживых компонентов среды их обитания, при взаимодействии которых происходит более или менее полный биотический круговорот (с участием продуцентов, консументов и редуцентов. В тоже время продолжались широкие количественные исследования функциональных особенностей различных экосистем — их структуры, продуктивности, условий их устойчивости, трофических связей в экосистемах. Вначале х годов В. Н. Сукачев (1880—1967) обосновал концепцию биогеоценоза, имевшую большое значение для развития теоретической базы экологии. В е годы сформировалась общая экология, основное внимание в которой уделяется изучению взаимодействия организмов и структуры образуемых ими систем. Км годам XX в. сложились направления, называемые физиологической и эволюционной экологией. В наши дни получили развитие количественная экология и математическое моделирование биосферных и экосис- темных процессов. Изучение общепланетарных процессов развернулось после выхода в свет в 1926 г. книги В. И. Вернадского Биосфера, где рассмотрены свойства живого вещества и его функции в формировании как современного лика Земли, таки всех сред жизни на планете (водной, почвенной и воздушной. Предшественником и единомышленником В. И. Вернадского был В. В. Докучаев (1846—1903), создавший учение о почве как о естественно-историческом теле. В. И. Вернадский (1863—1945) обосновал роль живого вещества как наиболее мощного геохимического и энергетического факторов — ведущей силы планетарного развития. В его работах ясно прослеживается значение для космоса жизни на планете Земля, а также значение космических связей для биосферы. Впоследствии эта космическая линия в экологии была развита в трудах А. Л. Чижевского, основателя современной науки гелиобиологии. В. И. Вернадский проследил эволюцию биосферы и пришел к выводу, что деятельность современного человека, преобразующего поверхность Земли, по своим масштабам стала соизмерима с геологическими процессами на планете. В результате стало ясно, что использование природных ресурсов планеты происходит без учета закономерностей и механизмов функционирования биосферы. Тем не менее завершающим этапом эволюции биосферы он считал появление ноосферы — сферы разума (см. разд. 7.4.2.4). 14 Глава 1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИИ В. И. Вернадский отмечал, что жизнь в геологически обозримый период всегда существовала в форме биоценозов — сложно организованных комплексов разных организмов. При этом живые организмы всегда были тесно связаны со средой обитания, образуя целостные динамические системы. Входе развития жизни неоднократно происходила смена одних групп организмов другими, но всегда поддерживалось более или менее постоянное соотношение форм, выполняющих те или иные геохимические функции. В табл. 1.1 приведен календарь событий, иллюстрирующий долгий путь становления экологии как науки. Таблица 1 .1 Календарь становления экологии как науки по КМ. Петрову с дополнениями) Годы VI— IV вв.до н. э. 490—430 дон. э. 384—322 дон. э. 372—287 дон. э. 79—23 дон. э. Автор Эмпедокл из Акраганта Аристотель Теофраст (Феофраст) Плиний старший Страна Древняя Индия Древняя Греция Древняя Греция Древняя Греция Древний Рим Экологическая информация Эпическая поэма «Махаб- харата» и «Рамаяна» — дано описание образа жизни и места обитания около 50 видов животных Рассмотрел связь растений со средой История животных — привел классификацию животных, имеющих окраску, связанную сусло виями жизни Исследования о растениях — описал около 500 видов растений и их сообществ Естественная история — обобщил данные по зоологии, ботанике, лесному хозяйству 1.2. Из истории экологии 15 Продолжение таблицы 1.1 Годы Автор Страна Экологическая информация 1749 К. Линней 1749 Ж. Бюффон Швеция Франция 1798 Т. Мальтус Англия 1802 Ж.-Б. Ламарк Франция 1809 Ж.-Б. Ламарк Франция 1836 1840 Ч. Дарвин Ю. Либих Англия Германия Экономика природы — описал типологию место обитаний. Основы систематики Естественная история — высказал идеи изменчивости видов под влиянием среды Опыты о законе народонаселения — предложил уравнение геометрического (экспоненциального) роста популяции, представил первую математическую модель роста популяции Гидрогеология — заложил основы концепции о биосфере, предложил термин биология Философия зоологии — дал представление о сущности взаимодействий в системе организм — среда Кругосветное путешествие на корабле «Бигль» — описал экологические наблюдения, которые легли в основу труда Происхождение видов Сформулировал закон минимума 16 Глава 1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИИ Продолжение таблицы 1.1 Годы 1845 1859 1861 1866 1870 1875 1877 1895 Автор А. Гумбольдт Ч. Дарвин ИМ. Сеченов Э. Геккель Г. Спенсер Э. Зюсс К. Мебиус Е. Варминг Страна Германия Англия Россия Германия Англия Австрия Германия Дания Экологическая информация Космос, в 5 томах — сформировал законы географической зональности и вертикальной поясности в распределении растений и животных Происхождение видов — привел большой материал о влиянии абиотических и биотических факторов среды на изменчивость организмов организм без внешней среды, поддерживающей его существование, невозможен поэтому в научное определение организма должна входить и среда, влияющая на него Предложил понятие экология Изучение социологии — заложил основы экологии человека Предложил понятие биосфера Предложил понятие биоценоз » Экологическая география растений — впервые использовал термин экология по отношению к растениям предложил понятие жизненная форма 1.2. Из истории экологии 1 7 Продолжение таблицы 1.1 Годы 1896 1898 1903 1910 1911 1912 1915 1915 1918 Автор У. Хэдсон А. Шимпер К. Раункиер В. Шел форд Г. Ф. Морозов Г. Н. Высоцкий ИК. Пачоский X. Гаме Страна Англия Германия Дания США Россия Россия Россия Швейцария, Австрия Экологическая информация Предложил понятие волны жизни для описания динамики численности животных География растений на физиологической основе — одна из первых работ по экофизиологии Создал учение о жизненных формах растений на основе понятия, введенного Е. Вармингом Решением III Международного ботанического конгресса закреплено разделение экологии на экологию организмов (аутэкологию) и сообществ (ейнэкологию) Сформулировал закон толерантности Учение о лесе — классическая работа по изучению лесных сообществ Предложил понятие «эко- топ Предложил понятие фитоценоз Предложил понятия биоценологии как науки о сообществах живых организмов фитоценологии — науки о растительных сообществах 18 Глава 1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИИ Продолжение таблицы 1.1 Годы 1921 1926 1927 1933 1935 1939 1939 1942 Автор X. Берроуз В. И. Вернадский Э. Леруа ДН. Кашка- А. Тенсли Ф. Клементе, В. Шелфорд К. Тролль В. Н. Сукачев Страна США СССР Франция СССР США США Германия СССР Экологическая информация География как человеческая экология — сформулировал задачу изучения взаимоотношения человека и территории, на которой он проживает Биосфера — определил глобальные функции живого вещества Предложил понятие ноосфера , получившее дальнейшее развитие в трудах Т. де Шардена, В. И. Вернадского Среда и сообщества, Основы экологии животных — первые отечественные учебники по экологии Предложил понятие экосистема Ввели термин «биоэколо гия», опубликовав одноименную монографию Обосновал новое научное направление — экология ландшафта Предложил понятие биогеоценоз, заложил основы биогеоценологии 1.2. Из истории экологии 19 Окончание таблицы 1.1 Годы 1942 1944 1953 1963 1968 1971 1994 Автор Р. Линдеман В. И. Вернадский Ю. Одум В. Б. Сочава Дж. Форрес- тер, Д. Медоуз Б. Коммонер Н. Ф. Реймерс Страна США СССР США СССР США США Россия Экологическая информация Развил представление о трофических уровнях и пирамиде энергий, установил правило 10% Несколько слово ноосфере Основы экологии и Экология — одни из лучших современных учебников по экологии. Неоднократно переизданы. Русские переводы — 1975 и 1986 гг. Предложил понятие геосистема Выдвинули идеи глобальной экологии в работах Римского клуба Замыкающийся круг — сформулировал четыре закона экологии. Русский перевод — 1974 г. Экология (теории, законы, принципы и гипотезы — систематизировал понятия современной большой экологии Параллельно с упомянутыми развивались географическое и геологическое направления экологии, а именно ландшафтная экология и динамическая геология — система наук о взаимодействии геосфер Земли и о воздействии на них антропогенных факторов. 20 Глава 1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИИ 1.3. Развитие современной экологии 1.3.1. Научные парадигмы XX века Строго научная теория, воплощенная в системе понятий или исходная концептуальная схема, господствующая в течение определенного исторического периода в научном обществе, называется парадигмой (от греч. paradeigma — пример, образец. В последние десятилетия естественные науки интенсивно развивают представления глобального эволюционизма. Вселенная в современном естествознании рисуется динамичной, эволюционирующей немонотонно, а через кризисные состояния, катастрофы бифуркации сменяющиеся периодами запрограммированного развития. Классической и постнеоклас сической (современной) картинам мира соответствуют существенно различные типы восприятия жизни. Традиционно природа представлялась в значительной мере стабильной и детерминированной (определенной, обусловленной, а кризисные состояния играли роль нарушений в закономерном развитии и течении жизни. Современная картина жизни определяет кризисные состояния как необходимую составляющую вечного развития материи. Естествознание в XVIII—XIX вв. развивалось в соответствии с двумя основными принципами. Первый из них — это широко подтвержденное практикой представление об однозначности причинно-следственных связей (принцип детерминизма, с которыми связаны основные успехи в описании физических процессов, решение задач теоретической механики и многих технических наук. Фактически этот принцип лежит в основе современной технической цивилизации. Второй важнейший принцип современной науки — ее основанность на эксперименте. При этом общепризнано, что предметом научного исследования могут быть только явления и процессы, полностью воспроизводимые в лабораторных условиях. Однако развитие наук о жизни ив первую очередь экологии показало ограниченность подобных однозначных (линейных) представлений о мире. Выяснилось, что для всех сложных природных систем характерны свойства, описываемые 1 Бифуркация (от лат bis — дважды furcatus — разделенный) — вилообразное раздвоение, разветвление. 1.3. Развитие современной экологии 2 1 лишь с помощью нелинейных моделей, для которых естественны ограниченность решений, колебательные и мультистаци- онарные режимы, квазистохастическое пространственное и временное поведение, те. необходима замена парадигмы. В сущности биология и экология никогда не соответствовали парадигме линейного мышления. Современные нелинейные модели были разработаны для описания и объяснения в первую очередь процессов в живой природе. Индивидуальность и разнообразие живых систем и нередко невоспроизводимость результатов сложных биологических экспериментов сегодня очевидны. Это новое направление биофизики и математики называют современной парадигмой нелинейного мышления Ее суть в том, что все процессы в живой природе и большинство процессов в неживой описывают нелинейные уравнения. Действительно, живые системы являются открытыми по веществу и энергии и удалены от состояния термодинамического равновесия. Нелинейность их поведения объясняется, например, тем, что процессы роста популяции в зависимости от условий могут приводить к различным последствиям стабилизации ее численности (в климаксных растительных сообществах регулярным колебаниям численности стохастическим вспышкам численности (у насекомых • пространственно-временным распределениям (например, к появлениям пятен планктона в океане. Наконец, анализ демографических данных показывает, что развитие человечества идет столь нелинейно, что численность растет даже быстрее, чем экспоненциально. С. П. Кур- дюмов и С. П. Капица, предложившие математическую модель этого процесса, охарактеризовали его как режим с обострением или как взрывоподобную ситуацию, ведущую к коллапсу с непредсказуемыми последствиями. Современное естествознание пришло к выводу, что неоднозначность и неустойчивость начальных условий есть естественное состояние природных систем. Одна из главных современных проблем нелинейной динамики состоит в том, чтобы разработать методы изучения подобных систем, критерии и условия их упорядоче- 1 Коллапс (от лат collapsus — ослабевший, уставший) — угрожающее жизни состояние. В медицине коллапс — состояние, характеризующееся внезапным падением артериального и венозного кровяного давления, приводящим к ухудшению кровоснабжения жизненно важных органов (мед. 22 Глава 1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИИ ния. Таким образом, невоспроизводимые явления также могут быть объектом научного исследования. Признание современной наукой парадигмы нелинейного мышления знаменует конец представления о всесилии знания и возможности предсказания даже в случае полного понимания структуры системы. Решения, найденные природой за миллионы лет, оптимальны и имеют громадную ценность. Попытки перекроить природу в угоду потребностям человека в конечном счете приводят к созданию искусственных экосистем с энергетической эффективностью, гораздо меньшей, чему природных. Примерами нелинейных моделей при описании разнообразных живых существ и их адаптации к изменениям среды обитания являются наличие порогов чувствительности к внешним воздействиям, парадоксальные реакции на сверхмалые дозы различных средовых воздействий, явления кумулятивного и синергического интегрального действия многочисленных факторов среды на организмы. Гомеостаз организма может быть представлен как система колебательных процессов. Способность к адаптации, реакция на стресс, реакция тренировки характеризуются нелинейными дозовыми зависимостями. Необходимость изучения и описания систем с нелинейным поведением или с нелинейной динамикой вначале х годов XX в. привела к возникновению особого междисциплинарного направления научных исследований, сформировавшегося в комплексную науку — синергетику (от греч synergeia — совместный, согласованно действующий. Синергетика исследует процессы самоорганизации в системах различной природы и прежде всего в живых. Под самоорганизацией понимают процессы возникновения пространственно-временных структур в сложных нелинейных системах, находящихся в состояниях, далеких от равновесия, при достижении ими особых критических точек — точек бифуркации. В этих случаях поведение живых систем становится неустойчивым. В точках бифуркации система под воздействием незначительных флуктуации (случайных отклонений какого-либо фактора) может резко изменить свое состояние. В эти переломные моменты принципиально невозможно предсказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие станет ли система хаотичной или она перейдет на новый, более высокий уровень организации. Термин синергетика ввел в 1994 г. немецкий физик Г. Хакен. 1.3. Развитие современной экологии 23 Формирование синергетики связано с работами И. Р. При- гожина, известными как теория диссипативных систем. Аттрактор — (от лат attrahere — притягивать, привлекать) — одно из ключевых в синергетике понятий, которое означает относительно стабильное состояние, как бы притягивающее к себе все множество возможных состояний системы, задаваемых начальными условиями. Другое ключевое понятие синергетики — параметры порядка — немногочисленные параметры, через поведение которых можно описать поведение весьма сложной системы. Такими параметрами порядка в экологии биосферы являются, во-пер вых, установившиеся за миллионы лет круговороты биогенов, а во-вторых, энергетические связи в масштабах всей Земли, которые образуют цикл от первичных продуцентов до деструк торов. Подробное рассмотрение всех этапов глобального круговорота (см. разд. 6.3) демонстрирует наличие непросто кольца связей, а разветвленной сети из огромного количества разнообразных подсистем. Этими объясняется устойчивость всей системы в целом. В современной биологии доказано, что чем более устойчива система, те. чем разнообразнее ее элементы (живые организмы, биоценозы, экосистемы, из которых складывается биосфера Земли) и чем разнообразнее связи между ними, тем больше вероятность того, что система (биосфера Земли) не подвергнется окончательному (катастрофическому) разрушению по какой-либо причине. Однако окончательный переход системы в кризисное или катастрофическое состояние зависит от силы воздействия, выводящей систему в состояние неустойчивости. Подробно этот вопрос с учетом развития цивилизации и роста населения Земли рассмотрен в гл. 8. Математические модели и качественные понятия применимы к развитию представлений не только об экологических кризисах и катастрофах, но и об экологическом риске (ГА. Яго дин, Г. Г. Малинецкий, В. А. Легасов и др. Состояние неустойчивости, характеризующее чувствительную к флуктуациям систему, необходимо для любого процесса развития, ибо смена точек бифуркации и периодов более или менее устойчивого развития есть природная закономерность. Она лежит в основе эволюции биосферы, процессов онтогенеза Диссипативные системы — открытые системы, в которых наблюдается прирост энтропии. 24 Глава 1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИИ индивидуального развития) организма, а также и социального развития общества. Если внешнее возмущение слишком велико, система сне которым запаздыванием покидает свои пределы толерантности (устойчивости, см. разд. 3.2.2) и прекращает существование. Изучение критических возмущений важно не только для исключения фатального антропогенного воздействия, но и для предотвращения опасного сочетания возмущений, так как для биосферы в ответ на сочетание многих воздействий характерны синергетические (интегральные) эффекты. Техногенные воздействия на природу медленно, но верно изменяют природные сообщества снижая видовое разнообразие, уменьшают диапазон их толерантности. История Земли знает ряд экологических кризисов и катастроф. Одна из экологических катастроф, вероятно, была связана с накоплением кислорода в океане и атмосфере. При этом произошло массовое вымирание анаэробных организмов. Другие доантропогенные катастрофы преимущественно происходили при изменениях климата, и, как следствие, менялись растительность и животный мир. При катастрофах в периоды горообразования и изменения климата вымирало до 50% живого на Земле. Однако эти процессы длились тысячи и миллионы лети к ним биосфера успевала приспособиться путем естественного отбора. Самоускорение научно-технического прогресса и его пагубное влияние на биосферу Земли, также как и рост численности населения человечества, описывает синергетическая модель С П . Курдюмова (режим с обострением или самоускоряю щийся процесс с положительными обратными связями. Антропогенный фактор, вызывающий разрушение биосферы, является флуктуацией, вызванной популяционным взрывом. Система общество — природа по теории И. Р. Приго- жина, достигнув точки бифуркации, должна будет перестроиться. Однако распад старой системы отнюдь не должен означать переход ее в хаотическое состояние. Бифуркация — это толчок к развитию биосферы по новому, совершенно неведомому нам пути. О судьбе биосферы в будущем беспокоиться не следует, вероятнее всего она продолжит свое развитие. Однако место и роль человека при этом непредсказуемы. В интересах современного человечества — не доводить дело до крайности (до точки бифуркации, а постараться сохранить биосферу в современном привычном человеку состоянии. |