Текст книги "Экология: конспект лекций"

Автор книги: Анатолий Горелов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 17 страниц) [доступный отрывок для чтения: 7 страниц]

Тема 5. ЕСТЕСТВЕННОЕ РАВНОВЕСИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЭКОСИСТЕМ

Понятие равновесия является одним из основных в науке. Но прежде чем говорить о равновесии в живой природе, выясним, что такое равновесие вообще и равновесие в неживой природе.

5.1. Равновесие и неравновесие

Синергетика выявила следующие отличия неравновесной системы от равновесной:

1. Система реагирует на внешние условия (гравитационное поле и т. п.).

2. Поведение случайно и не зависит от начальных условий, но зависит от предыстории.

3. Приток энергии создает в системе порядок, и, стало быть, энтропия ее уменьшается.

4. Система ведет себя как единое целое и как если бы она была вместилищем дальнодейсвующих сил (такая гипотеза известна в физике). Несмотря на то, что силы молекулярного взаимодействия являются короткодействующими (действуют на расстоянии порядка 10-8см), система структурируется так, как если бы каждая молекула была «информирована» о состоянии системы в целом.

Различают также области равновесности и неравновесности, в которых может пребывать система. Ее поведение при этом существенно различается, что можно представить в таблице.

Таблица 2

Основные различия в поведении систем в области равновесия и неравновесия

Будучи предоставлена самой себе, при отсутствии доступа энергии извне система стремится к состоянию равновесия – наиболее вероятному состоянию. Пример равновесной структуры – кристалл.

К такому равновесному состоянию в соответствии со вторым началом термодинамики приходят все закрытые системы, т. е. системы, не получающие энергии извне. Противоположные по типу системы носят название открытых.

Изучение неравновесных состояний позволяет прийти к общим выводам относительно эволюции от хаоса к порядку.

5.2. Особенности эволюции

Понятие хаоса в противоположность понятию космоса было известно древним грекам. Синергетики называют хаотическими все системы, которые приводят к несводимому представлению в терминах вероятностей. Другими словами, такие системы нельзя описать однозначно детерминистично, т. е., зная состояние системы в данный момент, точно предсказать, что с ней будет в момент следующий.

Хаотическое поведение непредсказуемо в принципе. Необратимость, вероятность и случайность становятся объективными свойствами хаотических систем на макроуровне, а не только на микроуровне, как было установлено в квантовой механике.

Эволюция с точки зрения синергетики должна удовлетворять трем требованиям: 1) необратимость, выражающаяся в нарушении симметрии между прошлым и будущим; 2) необходимость введения понятия «событие»; 3) некоторые события должны обладать способностью изменять ход эволюции.

Условия формирования новых структур: 1) открытость системы; 2) ее нахождение вдали от равновесия; 3) наличие флуктуаций. Чем сложнее система, тем более многочисленны типы флуктуаций, угрожающих ее устойчивости. Но в сложных системах существуют связи между различными частями. От соотношения устойчивости, обеспечивающейся взаимосвязью частей, и неустойчивости из-за флуктуаций зависит порог устойчивости системы.

Превзойдя этот порог, система попадает в критическое состояние, называемое точкой бифуркации. В ней система становится неустойчивой относительно флуктуаций и может перейти к новой области устойчивости. Система как бы колеблется между выбором одного из нескольких путей эволюции. Небольшая флуктуация может послужить в этот момент началом эволюции в совершенно новом направлении, который резко изменит поведение системы. Это и есть событие.

В точке бифуркации случайность толкает систему на новый путь развития, а после того как один из возможных вариантов выбран, вновь вступает в силу детерминизм – и так до следующей точки бифуркации. В судьбе системы случайность и необходимость взаимно дополняют друг друга.

Подавляющее большинство систем открыты – они обмениваются энергией, веществом или информацией с окружающей средой. Главенствующую роль в природе играют не порядок, стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность, т. е. все системы флуктуируют. В особой точке бифуркации флуктуация достигает такой силы, что система не выдерживает и разрушается, и принципиально нельзя предсказать, станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности, который называют диссипативной структурой. Новые структуры называются диссипативными, потому что для их поддержания требуется больше энергии, чем для поддержания более простых структур, на смену которым они приходят.

Классическая термодинамика ХIХ века изучала механическое действие теплоты, причем предметом ее исследований были закрытые системы, стремящиеся к состоянию равновесия. Термодинамика ХХ века изучает открытые системы в состояниях, далеких от равновесия. Это направление и есть синергетика (от «синергия» – сотрудничество, совместные действия).

Синергетика отвечает на вопрос, за счет чего происходит эволюция в природе. Везде, где создаются новые структуры, необходим приток энергии и обмен со средой (эволюция, как и жизнь, требует метаболизма). Если в эволюции небесных тел мы видим результат производства, то в синергетике изучается процесс творчества природы. Синергетика подтверждает вывод теории относительности: энергия творит более высокие уровни организации. Перефразируя Архимеда, можно сказать: «Дайте мне энергию, и я создам мир».

5.3. Принцип естественного равновесия

Принцип равновесия играет в живой природе огромную роль. Равновесие существует между видами, и смещение его в одну сторону, скажем, уничтожение хищников, может привести к исчезновению жертв, которым не будет хватать пищи. Естественное равновесие существует и между организмом и окружающей его неживой средой. Великое множество равновесий поддерживает общее равновесие в природе.

Равновесие в живой природе не статично, как равновесие кристалла, а динамично, представляя движение вокруг точки устойчивости. Если эта точка не меняется, то такое состояние называется гомеостазом («гомео» – тот же, «стасис» – состояние). Гомеостаз – механизм, посредством которого живой организм, противодействуя внешним воздействиям, поддерживает параметры своей внутренней среды на таком постоянном уровне, который обеспечивает нормальную жизнь. Кровяное давление, частота пульса, температура тела – все это обусловлено гомеостатическими механизмами, которые работают настолько хорошо, что мы обычно их не замечаем. В пределах «гомеостатического плато» действует отрицательная обратная связь, за пределами его – положительная обратная связь, и система гибнет.

Согласно принципу равновесия любая естественная система с проходящим через нее потоком энергии склонна развиваться в сторону устойчивого состояния. Гомеостаз, существующий в природе, осуществляется автоматически за счет механизмов обратной связи. Новые системы обычно подвержены резким колебаниям и менее способны противостоять внешним возмущениям по сравнению со зрелыми системами, компоненты которых имели возможность приспособиться друг к другу. Подлинно надежный гомеостатический контроль устанавливается только после периода эволюционного приспособления. Например, имеет место временная отсрочка в реакциях популяции, под которой понимается время, необходимое для того, чтобы в неблагоприятных условиях, связанных с перенаселением, начали изменяться рождаемость и смертность.

Естественное равновесие означает, что экосистема сохраняет свое стабильное состояние и некоторые параметры неизменными, несмотря на воздействия на нее. Система проницаема, в нее что-то постоянно входит и выходит, т. е. это такое устойчивое состояние экосистемы, при котором поступление вещества и энергии равно их выходу.

В качестве примера действия гомеостатических механизмов рассмотрим динамику популяций. Популяция стабильна, если сохраняет свой размер постоянным. Стремление к восстановлению величины популяции, соответствующей состоянию равновесия, осуществляется за счет регуляции, которая в конечном счете есть функция экосистемы, частью которой является популяция.

Имеются два механизма стабилизации плотности популяции при ее величинах, лежащих ниже уровня насыщения: 1) территориальное поведение в виде внутривидовой конкуренции и 2) групповое поведение, выражающееся, например, в «порядке клевания», «половом доминировании» и т. п. В какой-то мере эти механизмы действуют и в человеческом обществе.

Регулирование экосистемы может быть физическим и биологическим. Флуктуации численности происходят под влиянием внешних (например, климатических) и внутренних факторов. Факторы, влияние которых находится в прямой зависимости от плотности популяции, предотвращают перенаселение и способствуют установлению устойчивого равновесия. Это преимущественно биотические (конкуренция, паразиты, патогенные влияния и т. п.), а не климатические факторы.

Одни экологи объясняют изменения численности популяций тем, что в условиях перенаселенности возникает стресс, который влияет на репродуктивный потенциал и устойчивость к заболеваниям и другим воздействиям. Комплекс таких изменений нередко вызывает стремительное падение плотности популяции – «адаптационный синдром», препятствующий слишком сильным флуктуациям, которые могли бы нарушить функционирование экосистемы и угрожать выживанию вида. Другие экологи объясняют изменения численности популяций истощением ресурсов и уменьшением количества пищи и ее питательной ценности.

Изучение динамики численности популяций выявило так называемые «всплески» плотности с уменьшающейся во времени амплитудой, которые должны наблюдаться, по мнению экологов, и в человеческих популяциях, если регуляция их численности осуществляется только вследствие «самоперенаселения» (т. е. если отсутствует «внешнее» регулирование, например планирование семьи). Это особенно опасно, когда растет общее население Земли и человек, как обычно, не задумывается о будущем, а действует на основе ситуации в данный момент. В то же время популяция человека является единственной, для которой установлена положительная корреляция между плотностью популяции и скоростью роста.

Известна и такая зависимость: флуктуации плотности популяций сильнее выражены в относительно простых экосистемах, в которых в сообщество включено мало популяций. Человек уменьшает видовое разнообразие биосферы и, стало быть, если эта зависимость относится к нему, способствует увеличению флуктуаций своей численности. Это вызывает опасения, что экологическая катастрофа может быть для человека более сильной, чем для любого другого вида.

Ю. Одум предлагает следующий принцип: «Чем выше уровень организации и зрелости сообщества и чем стабильнее условия, тем меньше амплитуда флуктуаций плотности со временем» (Ю. Одум. Основы... с. 244). Это можно рассматривать и как призыв к человечеству сознательно регулировать свою численность.

Кривые роста популяций показывают, что рост внезапно останавливается, когда популяция исчерпывает свои ресурсы (пища, жизненное пространство), резко меняются климатические условия и т. д. После того как внешний предел окажется достигнутым, плотность популяции может либо некоторое время оставаться на данном уровне, либо сразу же резко падает. Причем по мере увеличения плотности популяции усиливается действие неблагоприятных факторов (сопротивление среды). Это проявление триггерного эффекта. Такой же результат получен группой Д. Медоуза на моделях мира (см. главу 9).

Популяции имеют тенденцию эволюционировать таким образом, чтобы достигнуть состояния саморегуляции. При этом естественный отбор действует в направлении максимального повышения качества среды обитания особи и уменьшает вероятность гибели популяции. У человека отсутствует такая естественная регуляция, потому что не действует в человеческом обществе, по крайней мере в таком объеме, естественный отбор, и он должен создавать искусственную регуляцию.

Изменяя экосистемы, человек нарушает региональное равновесие в природе, экосистемы становятся неустойчивыми, не способными к самоподдержанию и саморегуляции и перестают обеспечивать человеку нормальный газообмен, очистку вод, круговороты питательных веществ. Человек очень медленно учится быть «предусмотрительным хищником». На него уже не действуют биологические механизмы регуляции, но он еще не научился сознательно регулировать свою численность и количество потребляемых им ресурсов. Этот зазор между ослаблением биологических механизмов и недостаточным ростом сознания и является, по мнению многих экологов, основной причиной экологического кризиса.

5.4. Соотношение равновесия и эволюции

Итак, в природе существуют и равновесие, и эволюция. В каком случае эволюция может быть устойчивой? Механизм, ответственный за эволюцию живой природы, получил название гомеореза. Он дает возможность переходить из одного устойчивого состояния в другое через неравновесные точки (как бы «с кочки на кочку»), тем самым проявляя такую отличительную особенность живых тел, как их способность поддерживать устойчиво неравновесное состояние. Речь идет об устойчивом неравновесии, потому что, как показала синергетика, именно неравновесие ведет к развитию, т. е. к созданию качественно нового.

Под воздействием внешних изменений система переходит от одного состояния устойчивого равновесия к другому. Это называют устойчивым развитием. Многочисленные научные данные показывают, что экологическая обстановка на нашей планете не была всегда одной и той же. Более того, она испытывала резкие перемены, отражавшиеся на всех ее компонентах. Одно из таких глобальных изменений произошло, по-видимому, на начальном этапе развития жизни на Земле, когда в результате деятельности живого вещества атмосфера резко изменилась, в ней появился кислород, и тем самым была обеспечена возможность дальнейшего становления и распространения жизни. Жизнь создала нужную ей атмосферу. В процессе своей эволюции живое вещество, преображаясь само и изменяя косную материю, сформировало биосферу. Процесс эволюции идет через накопление и разрешение противоречий между отдельными компонентами биосферы, и периоды резкого обострения противоречий могут быть названы экологическими кризисами (по другой терминологии – «биоценотическими кризисами», «геологическими катастрофами»).

Рассмотрим более подробно пример с созданием кислородной атмосферы. Ультрафиолетовое излучение Солнца, губительное для жизни, породило химическую эволюцию, приведшую к возникновению аминокислот. Процессы разложения водяного пара под действием ультрафиолета привели к образованию кислорода и создали слой озона, который препятствовал дальнейшему проникновению ультрафиолетовых лучей на Землю. В этом случае действует тот же механизм, что и в сукцессии, когда один вид создает благоприятные условия для существования других видов. Пока не было атмосферного кислорода, жизнь могла развиваться только под защитой слоя воды, который не должен был быть очень большим, чтобы поступало видимое излучение и органическая пища. Таковой было мало, и давление отбора привело к возникновению фотосинтеза. Как в звездных системах один механизм выполняет несколько функций – звезды вырабатывают химические элементы и одновременно свет, – так фотосинтез дает органическое вещество и кислород. Первые многоклеточные организмы появились, когда содержание кислорода достигло в атмосфере 3 % от нынешнего. Создание кислородной атмосферы привело к новому состоянию устойчивого равновесия. Так, благодаря способности зеленых растений моря продуцировать такое количество кислорода, которое превышало потребности в нем всех организмов, оказалось возможным заселение живыми существами за сравнительно короткое время всей Земли. Произошел популяционный взрыв. В результате потребление кислорода догнало его образование на отметке 20 %. Затем наблюдались подъемы и падения в содержании кислорода, и повышение содержания углекислого газа послужило толчком к созданию запасов ископаемого топлива. Это тоже экологический кризис в истории развития жизни. Впоследствии отношение кислорода к углекислому газу пришло в колебательно стационарное состояние. Избыток углекислого газа в результате промышленной деятельности может сделать это состояние опять нестабильным. В связи с этим появилась концепция «возврата к естественному равновесию».

Если под естественным равновесием понимать сохранение существующих циклов круговорота в природе, то в общем плане это, видимо, столь же невозможно, сколь невмешательство в природу вообще. Возвращение к естественному равновесию невозможно из-за действия самих природных законов (например, второго начала термодинамики), оно нарушается в процессе любой человеческой деятельности. Известный эволюционный закон гласит, что эволюция необратима. Поэтому возвращение к естественному равновесию, существовавшему до появления человека или даже до второй половины ХХ века, попросту невозможно.

Сторонники возврата к естественному равновесию недостаточно учитывают то обстоятельство, что возрастающая техническая мощь человека увеличивает его способность противостоять природным катастрофам – землетрясениям, извержениям вулканов, резким изменениям климата и т. п., с которыми он пока не в силах справиться. В более общем плане можно сказать, что всегда были и будут воздействия со стороны природы на социокультурную систему, от которых общество захочет себя оградить. С таким обстоятельством всегда надо считаться, учитывая активный характер функционирования природы. В соответствии с одним из положений кибернетики, если система не будет воздействовать на внешние параметры, они выведут существенные переменные системы из устойчивого положения. С кибернетической точки зрения общество можно представить как самоуправляемую систему, которая осуществляет два типа поведения. Во-первых, она противодействует стремлению внешних параметров вывести существенные переменные системы из состояния равновесия, во-вторых, она воздействует на внешние параметры для того, чтобы обеспечивать осуществление каких-либо целей и перейти к другому состоянию. Если бы главной заботой человека было «выживание», он ограничился бы действием первого рода, но человек ставит перед собой и иные цели, которые могут даже входить в противоречие с целью «выживания».

Позиция сторонников возврата к естественному равновесию показывает, к чему приводит буквальная экстраполяция биологических принципов на развитие общества. Акцент на принципе равновесия в природе очень ценен, но возникает важный вопрос: каким путем обеспечить равновесие, не отказываясь от развития общества? Несомненно, что экологический подход должен покоиться на глубоких философских основаниях, которые отражают характернейшую черту функционирования человечества – его стремление к переустройству мира в соответствии с его идеалами.

Напоминание о необходимости для человека поддерживать его равновесие со средой обитания весьма своевременно и является реакцией на экологический кризис. Весьма важный вопрос, который возникает в этой связи, – вопрос о том, возможно ли обеспечить дальнейшее развитие человеческого рода и системы его взаимоотношений с природной средой без нарушения устойчивости этой системы. Но прежде надо сказать несколько слов о том, что такое развитие. Это особенно важно, потому что развитие порой отождествляется с ростом и понимается как простое количественное увеличение того, что присутствует в наличии. На самом же деле развитие представляет собой единство качественных и количественных изменений, причем качественные изменения могут происходить на определенном этапе количественного роста автоматически, а могут быть результатом целенаправленной сознательной деятельности людей.

Развитие общества по пути достижения поставленных им перед собой целей возможно лишь в том случае, если глобальная система «человек – природная среда» будет существовать, а это предполагает поддержание динамического равновесия между обществом и природой. Именно динамического, так как человеческое общество поддерживает свою целостность в процессе осуществления поставленных целей за счет собственной изменчивости и изменения среды. Вообще, свойством живых систем является то, что они изменяются по одним параметрам и остаются относительно неизменными по другим. Динамическое равновесие живых систем со средой обитания может быть названо и устойчивым неравновесием, как предложил Э. Бауэр. Последнее определение даже предпочтительнее, поскольку динамическое равновесие можно понимать слишком узко, как равновесие, скажем, системы «вода – пар», когда в данное время одно и то же количество молекул воды переходит из жидкого состояния в газообразное и наоборот. Пожалуй, если более точно говорить о равновесии развивающихся систем, то это будет синтез динамического равновесия и устойчивого неравновесия. Наличие последнего и ответственно за развитие системы.

Возвращаясь к экологической проблеме, можно сказать, что экологическое равновесие – равновесие жизни, которое поддерживает состояние низкой энтропии, а не равновесие смерти при максимуме энтропии. Принцип равновесия в природе не стоит абсолютизировать. Равновесие – неотъемлемый элемент функционирования природы, с которым человек должен считаться как с объективным законом и значение которого он только начинает осознавать. Принцип равновесия действует в природе, ему подчиняется функционирование человеческого организма. Справедлив он и для системы «человек – природная среда». Но равновесие только необходимый момент развития. Человек должен поддерживать экологическое развитие в природе, но не ценой отказа от осуществления своих целей, не путем растворения в природной среде.

Гомеостатические механизмы есть в природе человека, однако его деятельность не сводится только к поддержанию равновесия в собственном организме. Так же и в системе «человек – природная среда» гомеостатические механизмы должны быть, и, если общество нарушает некоторые из них, взамен должны создаваться искусственные гомеостатические механизмы. Но только к поддержанию равновесия деятельность человека в природной среде не сводится. Авторы концепции «возврата к естественному равновесию» представляют равновесие общества с природной средой часто в виде некоего единственного неизменного состояния, к которому нужно стремиться. При таком равновесии, когда система стремится к устойчивости в пределах какой-либо строго фиксированной области, не может быть речи о развитии. Синергетика утверждает, что новые структуры формируются вдали от состояния равновесия. Поэтому для развития необходимо, чтобы существовали моменты отхода от равновесия. Важно только, чтобы неравновесные состояния не нарушали общей устойчивости и не приводили к ее распаду. Современная наука свидетельствует о том, что в неравновесных ситуациях возможно сохранение устойчивости. Экологический материал подтверждает эти положения.

Одум указывает на существование ряда уровней, или ступеней, экологического равновесия (так называемое гомеостатическое плато). Переход на каждую последующую ступень не приводит к распаду системы, однако для достижения надежного положения на каждой из этих ступеней необходим период эволюционного приспособления. К. Уоддингтон считает, что для биологических систем более применимо не понятие гомеостаза, а понятие гомеореза. Равновесие человеческого общества с природной средой также представляет собой не точку, а множество, определенный набор состояний, из которого оно может выбрать наиболее желаемые в данный момент. Есть смысл говорить о возможности сознательного перехода с одного уровня равновесия системы «человек – природная среда» на другой через соответствующее преобразование окружающей среды и внутренней среды человека. На этом пути возможно обеспечение развития без нарушения устойчивости системы «человек – природная среда».

Общество выходит из сферы необходимости помимо всего прочего еще и потому, что увеличивается число степеней его свободы по отношению к природной среде, число альтернативных равновесных состояний, в которых оно может находиться с внешней природой. И в настоящее время не существует жесткой дилеммы – экологическая катастрофа или сокращение воздействия человека на природу. Человечество должно выбирать и создавать из всех альтернатив своего будущего ту, которая в наибольшей степени соответствует его истинным желаниям и потребностям (это и обеспечивает его развитие). Таковая окажется экологически осуществимой и даже наиболее выгодной, если человек действительно будет стремиться к осуществлению своих истинных желаний и потребностей, поскольку они не противоречат ни его внутренней, ни его внешней природе.

Равновесные состояния, в которых будет находиться общество с природной средой, будут состояниями искусственного равновесия. Здесь слово «искусственное» означает созданное человеком (аналогично «искусственному интеллекту»). В этом словосочетании выражается и активность общества (искусственное), и подчиненность его объективным законам природы (равновесие), образуя некое единство, хотя только к искусственному равновесию природопреобразующая деятельность человека не сводится, точно так же, как и понятие «естественное равновесие» не полностью отражает ситуацию в не тронутой человеком природе, поскольку и в ней наличествует развитие.

Несомненно, человек не откажется от преобразовательной деятельности, например от создания синтетических материалов с новыми, неизвестными в природе свойствами. Человек во все большей степени будет нарушать естественное равновесие, но взамен этого он должен создавать искусственные циклы в природе. Например, он должен создавать неизвестные природе способы разложения новых синтетических веществ. Развитие человеческого общества может и должно в числе прочего достигаться путем сознательного изменения области, в которой осуществляется его равновесие с природной средой. При таких условиях человек способен управлять своей эволюцией и в социальном, и в биологическом смысле. Эволюция может происходить также по причине независимого от человека изменения области достижения равновесия. Скорости этих естественных изменений по большей части незначительны по сравнению со скоростью изменения природной среды человека, но они должны приниматься в расчет.

Концепция «искусственного равновесия», будучи моментом общей концепции экологического развития, позволяет примирить эволюцию общества с сохранением природной среды и активность преобразовательной деятельности с подчиненностью ее объективным законам. Понятие «искусственное равновесие», как следует из вышеизложенного, не должно давать повод думать о наличии одного идеального состояния системы «человек – природная среда», к которому следует стремиться. Оно говорит о развитии данной системы как о единстве качественных и количественных изменений, изменчивости и устойчивости, роста и равновесия.

Было сформулировано «правило социально-экологического равновесия: общество развивается до тех пор и постольку, поскольку сохраняет равновесие между своим давлением на среду и восстановлением этой среды – природно-естественным и искусственным» (Н. Ф. Реймерс. Надежды... с. 147). Это правило устанавливает соотношение равновесия и развития.