1.4. Основные законы экологии.

В экосистеме все входящие в нее виды живого и абиотические экологические компоненты функционально соответствуют друг другу. Выпадение одной части системы, например уничтожение вида, неминуемо ведет к исключению всех тесно связанных с этой частью системы других ее частей и функциональному изменению целого внутреннего динамического равновесия. Это составляет закон экологии.

Вещество, энергия, информация и динамическое качество экосистемы взаимосвязаны настолько, что любое изменение одного из этих показателей вызывает функционально-структурные количественные и качественные перемены, сохраняющие общую сумму вещественно-энергетических, информационных и динамических качеств системы.

Важным следствием этого закона, является принцип Ле ША-телье.

Любое изменение среды (вещества, энергии, информации, динамических качеств экосистемы) неизбежно приводит к развитию природных цепных реакций, идущих в сторону нейтрализации произведенных изменений или формирования новых природных систем, образование которых при значительных изменениях среды может принять необратимый характер.

Закон максимизации энергии - в соперничестве с другими системами сохраняется та из них, которая наилучшим образом способствует поступлению энергии и использует максимальное ее количество наиболее эфективным способом. В частности, скорость усвоения лучистой энергии солнца растениями - организмами - консументами выражается их продуктивностью, количеством накопленной биомассы. Чем эффективнее усваивается энергия, тем быстрее и больше прирост биомассы.

С целью повышения эффективности усвоения энергии экологическая система, во-первых, создает накопители (хранилища) высококачественной энергии (рис.1.6); во-вторых, затрачивает определенное количество накопленной энергии на обеспечение поступления новой энергии; в-третьих, обеспечивает кругооборот различных веществ; в-четвертых, налаживает с другими системами обмен, необходимый для обеспечения потребности в энергии специальных видов.

Основным и определяющим источником энергии для живых организмов является солнечная энергия, которая запасается в растениях и веществах в виде химической энергии. На Землю приходит поток около Qсолн.=4200 Дж/м².год, почти 80% его поглощается в верхних слоях атмосферы и только 20% достигает поверхности. Половина достигающего поверхность Земли потока солнечной энергии усваивается растениями-продуцентами.

Qраст.=0,1 Qсолн.

Из этой запасенной энергии чистая первичная продукция, доступная консументам (потребителям органического вещества) составляет около одного процента, т.е.

Qконсум.~ 0,001 Qсолн.

Поскольку практически невозможно перераспределение пото­ка солнечной энергии по поверхности Земли, внесение дополни­тельной энергии в экосистему достигается через запасенную химическую энергию. В частности, для повышения урожайности вносят минеральные и органические удобрения. В табл.1.1 приведен пример роста урожайности зерновых культур в зависимости от способа выращивания.

Таблица 1.1

Зависимость урожайности зерновых культур от способа выращивания

Способ выращивания	Урожайность, кг/га
Собирательство первобытным человеком Выращивание без удобрений Выращивание с применением минеральных удобрений Теоретический предел урожайности	20 50 - 2000 2000 - 20000 20000

С ходом исторического времени при получении из природных систем полезной продукции на ее единицу в среднем затрачивается все больше энергии. Так, расход энергии на одного чело­века в кДж в сутки в каменном веке был порядка 17 тыс., в аграрном обществе - 50 тыс., в индустриальную эпоху - 300 тыс., а в передовых развитых странах настоящего времени - 900-1000 тыс., т.е.почти в 60 раз больше, чем в каменном веке.

Закон развития природной системы за счет окружающей ее среды - любая природная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды. Абсолютно изолированное саморазвитие невозможно. Закон есть следствие из первого и второго начала (закона) термодинамики.

Из этого закона следует, что абсолютно безотходное производство невозможно и равнозначно созданию "вечного" двигателя. Любая более высокоорганизованная биотическая система, используя и видоизменяя среду жизни, представляет потенциальную угрозу для низкоорганизованных систем. Биосфера Земли как самая большая экосистема развивается не только за счет ресурсов планеты, но опосредованно за счет и под управляющим воздействием космических систем, прежде всего солнечной энергии.

Для полноценной жизни всему живому необходимы определенные условия, степень обеспечения которыми неодинакова. Лимитирующим фактором принято считать тот, который близок к минимуму необходимых потребностей организма. Причем различные организмы имеют разные основные потребности. На основании этих положений был сформулирован закон минимума Либиха:

Благополучие организма определяется самым слабым звеном в ряду его экологических потребностей

На практике это означает, что для обеспечении экологической безопасности различных видов деятельности следует находить наиболее слабые места в экологической обстановке, выявлять лимитирующие факторы для конкретных биогеоценозов и не допускать действий, усугубляющих экологическую ситуацию. Сами лимитирующие факторы проявляются в максимальных и минимальных формах воздействия: каких-то компонентов может не хватать для нормальной жизни, уровни других будут избыточными. Сказанное нашло отражение в законе толерантности Шелфорда:

Лимитирующим фактором процветания живого организма может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толерантности) организма к данному фактору.

Ширина диапазона толерантности определяется соотношением

Х мин

Х макс ,

где Х мин (макс) - предельные значения фактора.

Очевидно, различные организмы могут иметь широкие диапазоны толерантности в отношении одних факторов и узкие в отношении других. Наиболее распространены будут организмы с широким диапазоном толерантности по всем влияющим факторам.

Концепция лимитирующих факторов позволяет сделать вывод о том, что экологическое благополучие зависит от уровня обеспечения жизненных потребностей и от диапазона толерантности живых организмов.

Вместе с тем условия устойчивого существования биогеоценозов могут быть не только лимитирующими, но и регулирую­щими факторами. На суше к основным из них относятся свет, температура, содержание воды, состав и давление атмосферы, в природных водоемах - свет, температура и соленость.Общее регулирующее значение принадлежит биогенным химическим элементам.

Во Вселенной диапазон возможных температур достигает нескольких миллионов градусов. По сравнению с ним температурные пределы жизни на Земле очень узки: от минус 200 до плюс 1000С, а для конкретных видов живых организмов еще уже. Температура является сильным регулирующим фактором. Эффект экологического воздействия зависит от переменного или постоянного характера значений температуры, а также по различному проявляется в воде, на суше, в разряженной атмосфере. Как правило наиболее критичными для живого вещества являются максимальные предельные уровни температур по сравнению с минимальными.

Свет и энергия Солнца, с одной стороны являются первичным источником энергии для развития жизни на Земле, с другой могут представлять смертельную опасность при определенных условиях для всего живого. Определяющее значение для экологического воздействия света имеют длина волны (или частота электромагнитного излучения), интенсивность и продолжительность облучения.

Влажность воздуха и почвы, соленость воды, состав и давление атмосферы определяют все многообразие форм жизни на Земле. Диапазон толерантности живых организмов к этим факторам довольно узок, что влечет существенные нарушения экологического равновесия даже при относительно небольших абсолютных изменениях их значений.

В соответствии с законом толерантности даже единственный фактор за пределом зоны своего оптимума приводит к стрессовому состоянию организма, а за пределами устойчивости - к его гибели. Это проиллюстрировано на рис.1.7 где показано влияние температуры на скорость роста растений.

Закон толерантности определяет и положение, по которому любой избыток вещества или энергии оказывается загрязняющим среду. Так, избыток воды даже в засушливых регионах вреден, и вода может рассматриваться как обычный загрязнитель, хотя в оптимальных количествах она там весьма полезна.

Для понимания процессов, происходящих в экосистеме, полезно знать правила ("законы") Б.Коммонера: 1) все связано со всем; 2) все должно куда-то деваться; 3) природа "знает" лучше; 4) ничто не дается даром.

Первое правило отражает всеобщую связь процессов и явле­ний в природе. Любое изменение качества физико-химического состояния природной среды по существующим связям передается как внутри экосистемы, так и между ними.

Второе правило говорит о том, что то или иное вещество в природе перемещается с места на место, переходит из одной молекулярной формы в другую. Например, огромные количества нефти и руды извлечены из недр Земли, преобразованы в новые соединения и рассеяны в окружающей среде.

Третье правило базируется на результатах возникновения и развития жизни на Земле, на естественном отборе в процессе эволюции. Так, для любого органического вещества, вырабатываемого организмами, в природе существует фермент, способный это вещество разложить.

Четвертое правило указывает на то, что биосфера как глобальная экосистема, представляет собой единое целое, в ней любой выигрыш в одном месте сопряжен с потерями в другом месте. В рамках этой экосистемы ничего не может быть выиграно или потеряно и которое не может являться объектом всеобщего улучшения; все, что было извлечено из нее человеческим трудом, должно быть возмещено.

Экосистемам присуща саморегуляция - живые системы и системы под управляющим воздействием живого способны к саморегуляции.

Живое вещество в ходе саморегуляции автоматически поддерживает среду обитания, пригодную для её развития. Экосистемы способны в определенной степени к восстановлению внутренних свойств и структур после какого-либо природного или антропогенного воздействия, изменившего эти свойства и структуры.

Закон необходимого разнообразия - любая система не может сформироваться из абсолютно одинаковых элементов. Природа стремится к разнообразию видов. При этом доля отдельных видов неодинакова - одних меньше, других больше. Ни одно сообщество не состоит из видов с равной численностью. Обычно большинство видов в ней малочисленны, численность других умеренна и лишь немногие очень обильны.

Величина разнообразия является показателем лучшего или худшего состояния экосистемы. Чем больше видов и численности особей в виде, тем лучше экологический показатель системы. Сокращение числа особей или исчезновение вида является предупреждением о неблагоприятной экологической обстановке.

Рассмотренные правила и законы экологии справедливы для идеального случая, когда деятельность человека не внесла существенного изменения в природу. Однако, цивилизация в настоящее время способна разрушить себя: такой конфликт потряс бы окружающую среду, сильно нарушил биоту суши и уничтожил бы значительную часть человечества.