Алексеева Т. Н. / Лекция 6. Экологические факторы / Основные законы экологии

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭКОЛОГИИ

Природа "знает" лучше (3-й закон Барри Коммонера)

Анализируя последствия человеческой деятельности в различных регионах Земли, можно с уверенностью сказать, что настойчивые попытки человека переделать природу, приспособив ее к своим потребностям, повернуть и "зарегулировать" реки, срыть горы, изолировать и осушить морские заливы, построить грандиозные дамбы всегда приводили к напряженной, а иногда и критической экологической обстановке. Чаще всего уверенность человека в своем всемогуществе и ощущение себя "венцом творения" базируются на отсутствии элементарного знания законов экологии, сформулированных в течение последних полутора столетий в различных странах различными учеными и впервые обобщенных и систематизированных Н. Ф. Реймерсом в 1983 году. Знание этих законов позволяет человеку полностью осознать необходимость отказа от тщетных попыток внедрить инженерные сооружения в природную среду, зачастую нарушая тонкий и хрупкий механизм саморегуляции природных систем. Знание законов экологии помогает инженеру проектировщику, строителю, технологу, администратору взаимодействовать с природой, не нарушая ее целостности, а сочетая свои по потребности с региональными экологическими возможностями в пределах допустимых экологических лимитов.

Именно поэтому, прежде чем перейти к описанию особенностей генезиса, структуры и принципов управления искусственно созданными человеком геотехническими системами, авторы считают необходимым познакомить будущих инженеров с основными теоремами экологии. В основу этой главы положен доклад Н. Ф. Реймерса на международной экологической конференции "Свиеко-84" в Болгарии в 1984 году (Экологизация. Свиштов, 1984. С.158-170).

Центральное системное положение экологии

Специализированный теоретический фундамент науки состоит из законов, определяющих структуру, функционирование и историко-эволюционные особенности рассматриваемых предметов и явлений.

Между структурой, функциями и развитием находится центральное системное положение, обеспечивающее связь конкретной области знаний со всей наукой.

Эту роль в экологии выполняет принцип Ле Шателье-Брауна: при внешнем воздействии на систему, находящуюся в состоянии устойчивого равновесия, выводящем эту систему из такого состояния, равновесие смещается в направлении ослабления эффекта внешнего воздействия.

Конкретизация принципа Ле Шатенье-Брауна в экологии приводит к закону внутреннего динамического равновесия или квазистационарного состояния:

вещество, энергия, информация и динамические качества отдельных природных систем взаимосвязаны настолько, что любое изменение одного из этих показателей вызывает сопутствующие функциональноколичественные перемены при сохранении общей суммы вещественно - энергетических, информационных и динамических качеств системы, где эти изменения происходят.

Структурные законы Закон системопериодический – принципы структурного построения и

управления однородных природных систем в их иерархическом· соподчинении повторяются с некоторой периодичностью в зависимости от действия единого системообразующего фактора (заряд ядра в периодическом законе Д. И. Менделеева, генетическая структура в законе гомологических рядов Н. Н. Вавилова и др.)

Закон биогенной миграции атомов В. И. Вернадского – миграция химических элементов в биосфере осуществляется при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция) или а среде, геохимические особенности которой обусловлены деятельностью живого вещества.

Закон физико-химического единства живого вещества В. И. Вернадского - все живое вещество Земли физико-химически едино.

3акон константности В. И. Вернадского – количество живого вещества – биосферы (для данного геологического периода) есть константа. Суммарная масса всех живых компонентов биосферы Земли относительно постоянна в любой из геологических периодов развития планеты.

Закон оптимальности – с наибольшей эффективностью система функционирует в некоторых пространственно-временных пределах (никакая система не может сужаться или расширяться до бесконечности)

Закон обязательности заполнения экологических ниш – функциональные места в экологических системах обязательно должны быть заполнены.

Закон исключения Г. Ф. Гаузе – два вида не могут существовать в одной экологической нише, если их потребности идентичны. Если экологическая ниша освобождается, ее заполняют экологически близкие формы.

Функциональные законы

Закон развития (существования) природной системы за счет окружающей ее среды - любая природная система может развиваться (и существовать), только

используя материально-энергетические и информационные возможности окружающей ее среды. И изолированное саморазвитие системы невозможно.

Из этого закона выводятся три важных следствия:

-безотходное производство принципиально недостижимо;

-любая более высокоорганизованная система представляет потенциальную угрозу для более низкоорганизованной;

-биосфера Земли развивается не только за счет внутренних ресурсов планеты, но и под воздействием космических систем (прежде всего Солнечной).

Закон (правило) соответствия условий среды, генетической предопределенности организма – вид организма может существовать до тех пор, пока окружающая его природная среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям.

Закон толерантности Шелфорда - лимитирующим фактором жизни организма (вида) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости, толерантности организма к данному фактору.

Закон минимума Ю. Либиха - выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей, то есть лимитирует жизненные возможности тот экологический фактор количество которого близко к минимуму и дальнейшее его снижение ведет к гибели организма или деструкции экосистемы.

Дополнительное правило: организм способен заменить дефицитное вещество (а экосистема - функционально недостающий вид) или другой действующий фактор – иным функционально близким.

Закон объединения разнородного живого вещества в островных сгущениях Г.Ф. Хильми - система, находящаяся в среде с уровнем организации более низким, чем уровень самой системы, обречена: постепенно теряя свою структуру, система через некоторое время растворится в окружающей среде.

Из фундаментальных законов функционирования экосистем следует несколько прикладных законов:

– закон ограниченности природных ресурсов – все природные ресурсы Земли конечны;

– закон интегрального ресурса - конкурирующие в сфере использования конкретных природных ресурсов - (систем) отрасли хозяйства неминуемо наносят ущерб друг другу тем сильнее, чем значительнее они изменяют совместно эксплуатируемый экологический компонент или всю систему в целом;

– закон снижения энергетической эффективности природопользования - в ходе исторического времени на получение единицы полезного продукта из природных систем затрачивается все большее количество энергии.

Эволюционно-исторические законы

Закон направленности эволюции (минимума диссипации энергии) – при возможности развития процесса в нескольких направлениях, допускаемых

выживающие формы увеличивают свои размеры и вес и затем вымирают.

Закон необратимости эволюции Л.Долло – организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему. состоянию, уже осуществленному в ряду его предков.

Закон системогенетический – большинство природных систем (в том, числе особи, сообщества, экосистемы) в индивидуальном развитии повторяют в сокращенной и зачастую измененной форме эволюционный путь развития своей системной структуры.

Основные прикладные выводы

Из всех фундаментальных законов следует ряд прикладных выводов:

1.Любое изменение среды (вещества, энергии, информации, динамических свойств экосистем) неизбежно приведет к развитию природных цепных реакций, идущих в сторону нейтрализации произведенного изменения или формирования новых природных систем, образование которых при значительных изменениях среды может принять необратимый характер. Эти новые системы являются результатом нового энергетико-вещественного состояния природы;

2.Взаимодействие вещественно-энергетических компонентов (энергия, газы, жидкости, субстраты, организмы - продуценты, консументы, редуценты), информации

идинамических свойств природных систем количественно нелинейно. Слабое изменение или воздействие одного из показателей может вызывать сильные отклонения в других и во всей системе в целом (в особенности в соответствии с законом Ю.Либиха.

3.Нарушение функционального или пространственного оптимума соотношения экологических компонентов в системе или смежных экосистемах сверх компенсационных лимитов (определяемых качественно законом оптимальности, а количественно – правилами одного и десяти процентов) ведет к эколого-социально- экономическим потерям тем в большей степени, чем дальше отход от показателей компенсационных возможностей природных систем.

4.Производимые в крупных экосистемах перемены относительно необратимы; проходя по иерархической структуре снизу вверх - от места воздействия до биосферы

в цепом, они меняют региональные и глобальные процессы и переводят их на новый эволюционный уровень, возврата с которого быть не может (в соответствии с законом необратимости эволюции Л. Долло).

5. Технические системы управления природными процессами со временем требуют все большего вложения средств, в плоть до нерационального, - принцип естественности. Поэтому естественные ("мягкие", производимые с помощью природы) формы управления в конечном итоге эффективнее "жестких» - технических .

6.Первые успехи (или неудачи) в природопользовании могут, быть кратковременными - принцип обманчивого благополучия; результаты мероприятия по преобразованию природы объективно оцениваются лишь после выяснения хода природных цепных реакций.

7.Природные процессы численно лимитируются в следующих пределах:

-изменение энергетики природной системы в пределах одного процента . выводит ее из равновесного (квазистационарного) состояния;

-переход с одного трофического уровня экологической пирамиды в среднем десяти процентов (от 7 до 17) вещества не ведет к неблагоприятным для экосистемы последствиям.