WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Шабанов Д. А., Кравченко М. А. Материалы для изучения курса общей экологии с основами средоведения и экологии человека. 2009-1

Научный журнал

 

Содержание


УДК 502/504(075.8) ББК20.1Я73 Ш12

Рекомендовано Ученым советом

Харьковского национального университета имени В. Н. Каразина

(протокол № 2 от 30 января 2009 г.)

Рецензенты:

заведующий кафедрой экологии и рационального природопользования Таврического национального университета им. В. И. Вернадского, профессор, доктор биологических наук А. В. Ивашов;

профессор кафедры зоологии Харьковского национального педагогического университета им. Г. С. Сковороды, доктор биологических наук А. 3. Злотин;

доцент кафедры зоологии Харьковского национального педагогического университета им. Г. С. Сковороды, кандидат биологических наук Т. Ю. Маркина.

Шабанов Д. А., Кравченко М. А. Материалы для изучения Ш 12 курса общей экологии с основами средоведения и экологии человека: Учебное пособие для студентов биологических специальностей университетов. - X.: ХНУ имени В. Н. Каразина, 2009. - 292 с.

ISBN 978-966-623-635-0

Учебное пособие содержит комплекс учебных и методических материалов, необходимых для изучения курса общей экологии. Пособие построено в соответствии с программой данного курса, используемой на биологическом факультете Харьковского национального университета имени В. Н. Каразина. Пособие может быть использовано студентами других вузов, преподавателями и специалистами в различных отраслях биологии как справочное издание и источник материалов для рассмотрения актуальных вопросов общей экологии и экологии человека. Кроме основного материала, существенную часть пособия занимают дополнения, посвященные дискуссионным темам.

©Д. А. Шабанов, М. А. Кравченко, 2009

SBN 978-966-623-635-0   ©Д. А. Шабанов, верстка и иллюстрации, 2009

©Д. А. Шабанов, дизайн обложки, 2009


Предисловие                                                              6

Глава 1. Экология и биосистемы, которые она изучает        7

  1. Что такое «экология»?                                     7
  2. Значение экологических знаний                      9
  3. Структура экологии                                        10
  4. История экологии                                            10
  5. Уровни организации биосистем                      13
  6. Подходы к изучению биосистем                     15
  7. Регуляция биосистем                                       16
  8. Устойчивость биосистем                                  20
  9. Свойства сложных систем                               21
  1. (дополнение) Общие свойства биосистем     23
  2. (дополнение) Модели, их ограничения и опасности      25
  3. (дополнение) Объяснительное значение экологии          27

Глава 2. Биосферология                                          29

  1. Биосфера                                                          29
  2. Ноосфера                                                          30
  3. Гипотеза Геи                                                       33
  4. Биогеохимические циклы                                34
  5. Источники энергии для БГХ-циклов               37
  6. Биогеохимический цикл углерода                  40
  7. Биогеохимический цикл азота                         42
  8. Биогеохимический цикл серы                          43
  9. Биогеохимический цикл фосфора                   44
  1. (дополнение) Эволюция Вселенной, Солнечной системы и Земли    45
  2. (дополнение) Что такое жизнь?                    47
  3. (дополнение) Возникновение жизни. Предживые системы     48
  4. (дополнение) Геохронологическая шкала   50
  5. (дополнение) Некоторые этапы истории земной жизни 52
  6. (дополнение) Венера. Земля, Марс              56
  7. (дополнение) Поиски жизни в Солнечной системе         57
  8. (дополнение) Антропный парадокс              60

Глава 3. Биогеоценология и экология сообществ         63

  1. Экосистемы и биогеоценозы                           63
  2. Компоненты экосистем                                    64
  3. Примеры экосистем                                         66
  4. Классификация биомов                                   67
  5. Экологический баланс                                     70
  6. Продуктивность экосистем и ее измерение    73
  7. Продуктивность различных биомов              74
  8. Сукцессии. Основные понятия                        76
  9. Тенденции в сукцессиях                                  80
  1. Природа и характеристики сообществ        82
  2. Трофические связи и уровни                        85

4


Содержание


Содержание


5



  1. Экологические эффективности                 86
  2. Экологические пирамиды                        89
  3. (дополнение) Фауна и флора                   92
  4. (дополнение) Учение о консорциях         93
  5. (дополнение) КПД экосистем и энергетические субсидии        93
  6. (дополнение) Биомы и человеческая культура      94

Глава 4. Популяционная экология                  97

  1. Популяции и их свойства                           97
  2. Характеристики популяций                       99
  3. Демографические таблицы, пирамиды и кривые выживания    101
  4. Экспоненциальный и логистический рост численности популяции     104
  5. Модель Лотки-Вольтерра                          106
  6. Классификация отношений между популяциями     107
  7. Мутуализм                                                  110
  8. Протокооперация                                       112
  9. Комменсализм                                            112
  1. Разнообразие форм эксплуатации           114
  2. Хищничество                                            115
  3. Паразитизм                                               120
  4. Конкуренция и экологическая ниша       123
  5. Аменсализм и нейтрализм                       129
  6. Экологические стратегии                         129
  7. Регуляция численности популяции         134
  8. (дополнение) Стратегии внутрипопуляционного взаимодействия     137
  9. (дополнение) Как паразиты «подставляют» своих хозяев       139
  10. (дополнение) ГПопуляционные системы зеленых лягушек     141

Глава 5. Аутэкология и основы средоведения     145

  1. Экологическая среда                                  145
  2. Классификация экологических факторов по их происхождению        146
  3. Различие ресурсов и условий                    148
  4. Иные классификации экологических факторов       149
  5. Важнейшие факторы в земной биосфере  149
  6. Закон минимума Либиха                            151
  7. Принцип толерантности Шелфорда          152
  8. Термины, описывающие толерантность организмов        154
  9. «Взаимодействие факторов»                      154
  1. Концепция стресса по Селье                    157
  2. Особенности организмов, связанные с их размерами    158
  3. Состав солнечной радиации                    162
  4. Биологические эффекты электромагнитной радиации    163
  5. Поглощение солнечной радиации атмосферой     165
  6. Парниковый эффект                                 167
  7. Водный баланс организмов                     167
  8. Адаптивные биоритмы                             172
  9. Фотопериодизм                                        173

  1. Термобиологические типы организмов  173
  2. Концепция эффективных температур      177
  3. Клинальная изменчивость и некоторые экологические правила     181
  4. Основные среды обитания и их особенности         185
  5. Адаптации организмов                            186
  6. Жизненные формы организмов               192
  7. (дополнение) Обмен веществом, энергией и информацией      194
  8. (дополнение) Факторы, влияющие на развитие организма     195
  9. (дополнение) Давление на глубине: претерпевание и преодоление 200

Глава 6. Экология человека и охрана природы  203

  1. Экологический кризис современности      203
  2. Демографический взрыв                            206
  3. Демографический переход                         210
  4. Можно ли ограничить численность населения Земли?     215
  5. Проблема обеспечения продовольствием 217
  6. Проблема пестицидов                                219
  7. Проблема обеспечения энергией               222
  8. Водообеспеченность и почвы в Украине   223
  9. Глобальное потепление                              224
  1. Озон и разрушение озонового экрана    228
  2. Кислотные дожди                                     230
  3. Смог                                                          231
  4. Военная опасность                                   231
  5. Концепция устойчивого развития           233
  6. (дополнение) О животной природе человека         234
  7. (дополнение) Чем человек отличается от других животных?  235
  8. (дополнение) Уникальные экологические особенности человека     238
  9. (дополнение) О наследовании приобретенных признаков      239
  10. (дополнение) Культурное наследование 240
  11. (дополнение) Биологические особенности человека       242
  12. (дополнение) Основные этапы антропогенеза       244
  13. (дополнение) Нужно ли бояться ГМ-продуктов?  247
  14. (дополнение) Принципы рациональной природоохранной этики      250
  15. Экоконверсия                                           259

Приложение I. Программа курса общей экологии       262

Приложение II. Ориентировочная программа семинаров    264

Приложение III. Рекомендуемая литература  265

Приложение IV. Тестирование в курсе общей экологии       266

Приложение V. Персоналии                              271

278

Приложение VI. Глоссарий


Предисловие


Глава 1. Экология и биосистемы, которые она изучает



Данное пособие призвано помочь студентам-биологам в изучении курса общей экологии. Считая принципиально важным разграничение понятий «экология» - «средо-ведение» - «охрана природы», а также разделяя общую экологию и экологию человека, авторы, тем не менее, сочли необходимым в рамках курса общей экологии затрагивать темы из иных отраслей. Часть внимания в главе 5 уделена средоведению, а вся глава 6 посвящена экологии человека и некоторым проблемам охраны природы.

Пособие отражает традицию преподавания экологии на биологическом факультете Харьковского национального университета имени В.Н. Каразина. Изучениелекционного материала производится здесь от вышележащих систем к нижележащим (главы 1,2,3,4), и заканчивается экологией человека (глава 6). Изучение материала на семинарских занятиях проводится в восходящем порядке, начинаясь и заканчиваясь экологией человека (главы 6,5,4, опять 6). Программа курса разбита на четыре модуля:

  1. - общие свойства биосистем и биосферология (главы 1 и 2);
  2. - аутэкология с основами средоведения (глава 5);
  1. - биогеоценология, экология сообществ и популяционная экология (главы 3 и 4);
  2. - экология человека (глава 6).

Авторы расчитывают, что данное пособие может использоваться также студентами других вузов, преподавателями и специалистами в различных отраслях биологии как справочное издание и источник материалов для рассмотрения актуальных вопросов общей экологии и экологии человека. Кроме основного материала, существенную часть пособия занимают дополнения, посвященные дискуссионным темам. В основном тексте, когда речь идет о вопросах, по которым существует разнообразие мнений, авторы подробно характеризовали рекомендуемый студентам подход и указывали на наличие альтернатив. Дополнения отражают лишь авторскую точку зрения, которая может отличаться от иных мнений. Авторы надеются, что дополнения не только заинтересуют некоторых студентов, но и будут полезны им как набор примеров и тем для обсуждения.

В экологии, где сталкивается исключительное разнообразие подходов и мнений, во многих случаях оправданно прямое цитирование различных авторов. Прямые цитаты набраны в суженной полосе. Цитирование используется и в тех случаях, когда какая-то мысль выражена втом или ином источнике предельно ясно, и еелучше привести полностью, а не пересказывать.

Мы искренне признательны коллегам, чья критика и помощь улучшали эту книгу. Особо благодарим Александра Григорьевича Козленко, который вместе с нами по заказу Национального фонда подготовки кадров России разрабатывал ИУІИК (инновационный учебно-методический комплекс) «Экология. Конструирование биосферы» (Москва, 2008). Значительная часть текстовых и иллюстративных материалов настоящего пособия входила в учебник, который (наряду с электронными составляющими, как, например, интерактивные модели) был компонентом названного ИУМК. В работе над иллюстрациями нашей книги мы получили неоценимую помощь от Татьяны Фоменко. Многие студенты ХНУ вычитывали рукопись данного пособия; никто не нашел в ней так много ошибок, как третьекурсники 2008 г. Ирина Морозова (кафедра микологии) и Владимир Аверков (кафедра биохимии). Мы будем искренне признательны за конструктивную критику и советы по улучшению нашей работы — от указаний на опечатки в тексте до обсуждения недостатков пособия или предложений по развитию изложенных в нем идей. Критические замечания просим присылать на электронный адрес d.a.shabanov@gmall.com.

Авторы


1.1. Что такое «экология»?

Перед изучением курса общей экологии следует обсудить само значение понятия «экология». Как ни удивительно, в Украине и вообще на постсоветском пространстве нет единого мнения о значении этого термина. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо обратиться к истории. Термин «экология» был создан и однозначно определен Эрнстом Геккелем в 1866 году.

«Под экологией мы понимаем общую науку об отношениях организмов с окружающей средой, куда мы относим в широком смысле все «условия существования». Они частично органической, частично неорганической природы» (Э. Геккель).

Термин «экология» был составлен Геккелем из двух греческих корней: o/cos — дом и logosслово, наука. С момента создания понятия «экология» существовала непрерывная преемственность исследователей, трактующих его в указанном смысле. Говоря современным языком, экология — наука, изучающая взаимодействие организмов и надорганизменных систем с окружающей средой. Экология — это биологическая наука о взаимосвязях!

С другой стороны, слова «экология», «экологическая» могут быть составной частью небиологических наук: технической экологии, социальной экологии, геоэкологии, экологического права и т.д. Д.С. Лихачевым было введено в употребление понятие «экология культуры». Разграничение этих отраслей деятельности и собственно экологии в ее классическом смысле—забота представителей этих отрастей. К сожалению, поскольку слово «экология» стало модным, зачастую наблюдаются попытки его «присвоения» со стороны представителей небиологических специальностей. Каждому понятен вопрос: «а как там в вашем городе с экологией?». Естественно, задавая такой вопрос, подразумевают не развитие той или иной науки, а качество среды обитания. В этом случае слово «экология» используется для обозначения изучения качества среды обитания для человека и различных процессов, влияющих на него. В английском языке для обозначения такой науки существует слово environmentology(от environmentокружающая среда), которое отличается от слова ecology. В русском языке для этого иногда применяюттранслитерацию названного английского термина — труднопроизносимое слово «энвайрон-ментология». На наш взгляд, значительно лучше использовать русский аналог этого понятия «средоведение».

Очень часто понятия «экология» и «экологический» используется для обозначения природоохранной деятельности или практики использования естественных ресурсов (Министерство экологии вовсе не занимается наукой). В целом охрану природы можно определить как комплекс мер, предназначенных для ограничения неблагоприятного влияния человеческой деятельности на окружающую среду. При всей важности этих отраслей, они далеки от собственно экологии. Научная база охраны природы (созология) в значительной степени опирается на данные экологии, но использует и результаты других естественных и общественных наук (географии, экономики, медицины, психологии и т.д.).

Глава 1. Экология и биосистемы, которые она изучает


1.2. Значение экологических знаний


9



Следует отметить, что обсуждаемые понятия широко используются в области, которую можно назвать профанной экологией (лат. profanusнепросвещенный, темный; отсюда же профанация — вульгаризация, опошление).

Характерным признаком профанных экологических текстов является широкое употребление слова «природа» (обычно с прописной буквы, как, зачастую, например, и «Космос») и обилие эмоциональных оценочных суждений. Зачастую авторы, восславляющие природу и ругающие человека, любят указывать, что человек —часть природы, что делает всю конструкцию логически противоречивой. Поскольку слово «природа» используется для обозначения как физического мира, так и «дикой природы» (естественных экосистем), от его использования в качестве термина лучше отказаться вообще.

Реакцией на экологический кризис стало широкое распространение идиллических взглядов на «мать Природу». Всем читателям наверняка приходилось сталкиваться с текстами и выступлениями, авторы которых утверждали, что «человек»—плохой, а «мать Природа»—хорошая. Обычно такие тексты требуют от «человека» немедленно исправиться и начать жить «по Законам Природы». Что должен делать человек, к которому обращены такие тексты? Вероятно, вначале картинно заломать себе руки, а потом выбросить из головы невыполнимые требования профанных экологов и жить себе, как жил и ранее...

Рассмотрим характерный для профанной экологии и близких течений пример лексических конструкций.

«Матушка Земля - в конвульсиях. Люди в замешательстве. ТысячеОкий Космос устремил свой Взор на мирлюдей. На Землю Пришла Энергия. Из Запредела. Решается Судьба Планеты...» (Ю. Черепахин).

Распространенным примером более респектабельных профанных взглядов могут быть так называемые «законы» (а на самом деле не законы, а афоризмы) Барри Коммонера, часто цитируемые в учебниках по экологии. Один из этих «законов» гласит «Природа знает лучше». Когда это суждение привлекается к оценке последствий антропического влияния на среду обитания, оно позволяет осудить сам факт человеческой деятельности (и вообще бытия противопоставляемого «Природе» человека), но не позволяет принимать какие-либо решения (пример абсурдной конструкции: «природа знает лучше, что делать с отработанным ядерным топливом»).

Профанную экологию нельзя оценить однозначно. Ее сторонники часто движимы устремлениями, заслуживающими одобрения. Ее положительной стороной является то, что она привлекает внимание общественности к важным проблемам. С другой стороны, она не может служить основой для целенаправленной деятельности и не позволяет решать проблемы, которые она ставит. Например, ложные страхи, связанные с использованием генетически модифицированных организмов, лишь мешают разработке мер, призванных сделать новую технологию безопасной. Вероятно, в массовой культуре про-фанная экология неискоренима, однако в образовании, научной и природоохранной деятельности она должна заменяться научной экологией.

В деятельности биолога важным является разграничение научной и профанной экологии, а также экологии как биологической науки о взаимосвязях от средоведения и охраны природы.


1.2. Значение экологических знаний

Создавать научное описание мира — одно из исключительных свойств человека. Мы не просто учимся использоватьте или иные свойства окружающих нас явлений—мы создаем научные модели тех сторон действительности, с которыми сталкиваемся и о которых можем предположить. Современное человечество развивает целый комплекс наук, каждая из которых имеет свое значение и для создания нашей картины мира, и для нашей практики. Наверное, представители каждой из наук могут сказать, чем важна именно их специальность. И все-таки экология, причем именно экология в ее биологическом понимании, как она рассматривается в данном курсе, занимает особое место в структуре наших знаний.

Мы, люди, и все остальные наши родственники — земные организмы — являемся определенным образом устроенными живыми существами. Наши черты — приспособления к определенному образу жизни, к определенным отношениям с окружающей средой. Мы, организмы, являемся составными частями популяций, экосистем и всей биосферы в целом. Свойства этих надор-ганизменных систем также объясняются особенностями их существования. Можно сказать, что жизнь —это взаимодействие, и поэтому экология, наука о взаимосвязях в живой природе, —это наука о выживании! Приведем еще одно определение экологии.

Экология—это наука о взаимосвязях, обеспечивающих существование организмов (включая человека) и надорганизменных систем: популяций, экосистем и биосферы.

Особое значение наука об обеспечивающих существование взаимосвязях приобретает в момент изменения образа жизни. Сейчас на таком этапе находится наш вид.

Наверное, каждому поколению людей кажется, что оно живет в особое время. Но, как бы то ни было, поколение, к которому принадлежат нынешние студенты университетов, имеет для такого взгляда больше оснований, чем все предшествовавшие. По мнению авторов, не следует пугать себя: будем надеяться, что человечество выживет. Однако на протяжении жизни читателей этого пособия в истории человечества произойдут неслыханные изменения.

Рост численности человечества остановится (будем надеяться — под влиянием естественных причин, а не катастроф и несчастий). Продолжавшееся много веков возрастание сменится стабильностью.

Изменится характер отношений человечества со средой. Зависимость от невосстановимых и резко ограниченных ресурсов (нефти, газа, угля, руд металлов) станет менее острой. Человечество научится удовлетворять свои потребности иначе, чем в течение последнего времени.

Поменяется даже сам механизм принятия решений — как отдельным человеком, так и частями глобального человечества: народами, государствами. То, как любое действие будет влиять на среду обитания, станет важнейшим обстоятельством всякого выбора.

Что является основанием для приведенных утверждений? Названные изменения —условие выживания человечества.


10


Глава 1. Экология и биосистемы, которые она изучает


1А История экологии


11



1.3. Структура экологии

В данном курсе принято подразделение экологии на общую и частную, а также выделение в рамках общей экологии отраслей, соответствующих различным уровням организации биосистем. В целом, структура экологии трактуется здесь так:

Общая экология:

  1. аутэкология (= физиологическая экология, = факториальная экология)—экология организмов;
  2. синэкология —экология надорганизменных систем:
  1. экология популяций (= демэкология);
  2. экология сообществ (= биоценология);
  3. биогеоценология (= экология экосистем);
  4. биосферология.

Частная экология (экология отдельных групп организмов):

  1. экология растений;
  2. экология грибов;
  3. экология животных;

—     экология человека.

Необходимо отметить, что это— один из возможных способов подразделения экологии на отрасли. Даже авторы, трактующие экологию как биологическую науку, часто рассматривают ее в ином объеме. Особенно же это касается тех, кто придает понятию «экология» иной смысл. Естественно, что экология человека (иногда понимаемая как социальная экология) далеко не во всех случаях может рассматриваться как часть экологии животных (общие и уникальные черты нашего вида боле подробно рассмотрены в главе 6).

1.4. История экологии

Обезьяна, которая была не в состоянии реально отразить действительность насчёт ветки, на которую она собиралась прыгнуть, не принадлежит к нашей родословной. Джордж Гейлорд Симпсон

Экологические знания человека —самые древние, они уходят корнями в его эволюционную историю. Человек сформировался как малоспециализированный охотник-собиратель африканских саванн. Врожденное и приобретенное знание о свойствах окружающих его организмов было необходимым условием его выживания. Древнейшие памятники культуры (начиная с египетских «текстов пирамид», возраст которых более четырех тысяч лет) содержат множество экологических фактов, важных для взаимодействия человека с разнообразными организмами. Например, «Рамаяна» и «Махабхарата» (около VI в. до н.э.) содержат сведения об образе жизни, размножении, сезонных особенностях и поведении примерно пятидесяти видов животных.

С выделением биологии как науки (в европейской культуре — от Аристотеля в IV в. до н.э. и Теофраста в III в. до н.э.) экологические знания начали


накапливаться в ее рамках. Аристотелем отчетливо поставлена центральная проблема биологии — проблема целесообразности. Осознавая, что в строении плавника отражены свойства воды, а в строении крыла —воздуха, Аристотель рассматривал организмы в их взаимоотношении со средой, то есть экологически. Кстати, не следует думать, что проблема целесообразности живого получила исчерпывающее решение в современной науке...

Первый экологический эксперимент поставлен химиком Робертом Бойлем в 1670 г. при изучении влияния низкого давления на разных животных. Первая из экологических закономерностей, выраженная в числовой форме, принадлежит физику Рене Реомюру, установившему в 1735 году, что сумма средних дневных температур в тени постоянна для каждого сезонного периода в жизни многих видов растений. Диссертации Карла Линнея (1707-1778) посвящены проблемам, относящимся сейчас к экологии («Экономия природы» в 1749 г. и «Общественное устройство природы» в 1760 г.). Линнею принадлежит мысль, что жизнь одних живых существ оказывается возможна благодаря гибели других. Он же первый организовал постоянные фенологические наблюдения.

Значительный объем экологических фактов был собран Жоржем Бюффо-ном (в тринадцатитомной «Естественной истории», 1749-1769 гг.), Петром Симоном Палласом («Zoograph/a rosso-asiatica», начало XIX в.) и другими учеными-натуралистами.

Существует версия, что рождение экологии как науки могло состояться в конце XVIII или начале XIX века благодаря работам Антуана Лавуазье. В1792 году Лавуазье представил доклад «Круговорот элементов на поверхности земного шара», где описал круговорот углерода и заложил представление о трех функциональных группах организмов (которые позже назвали продуцентами, консументами и редуцентами). Великая французская революция казнила Лавуазье не за контрреволюционную деятельность, а просто потому, что он был ученым («Революция в ученых не нуждается, сударь!» — якобы сказал человек, отправивший Лавуазье на гильотину во имя идеалов свободы, равенства и братства).

С именем Жана Батиста Ламарка связана разработка учения об адапта-циях. Ламарк ввел понятие биосферы как конечного результата переработки живыми организмами неорганических веществ. Александр Гумбольдт заложил в середине XIX в. основы учения о географической зональности и жизненных формах. Им предпринята не имеющая равных попытка создать целостную научную картину мироздания в многотомном труде «Космос». С именем Карла фон Бэра (кроме эмбриологических достижений) связано развитие теории динамики популяций рыб, а с работой Томаса Мальтуса «О естественном законе народонаселения» —начало изучения динамики численности населения и ресурсов, и даже открытие идеи естественного отбора.

Вплотную подошел к созданию экологии Карл Рулье, профессор Московского университета. Его понимание сути и задач экологии удивительно напоминало современное, но Рулье не обладал авторитетом Геккеля и, в отличие от Геккеля, не предложил название, которое смогло бы стать «брендом».

«Ни одно органическое существо неживет само по себе; каждое вызывается к жизни и живет только постольку, поскольку находится во взаимоотношении с относительно внешним для него миром» (К.Ф. Рулье, 1850).


12


Глава 1. Экология и биосистемы, которые она изучает


1.5. Уровни организации биосистем


13



Оценивая приведенную цитату, следует обратить особое внимание на слово «относительно». Сделав первый шаг к оценке важности отношений организма со средой, Рулье подразумевал и следующий шаг познания, требующий понимания нерасторжимого единства организма и внешнего мира.

Важнейшее значение для экологии имели работы Чарльза Дарвина: «Путешествие натуралиста...», «Происхождение видов...» (1859), экологические работы о червях, опылении орхидей, насекомоядных растениях. Дарвинизм способствовал переосмыслению всех биологических данных и предложил достаточно убедительную версию решения вечной проблемы целесообразности. Теория эволюции подтолкнула развитие всех биологических наук, дав возможность причинно-исторического объяснения наблюдаемых феноменов. Одной из первых реакций на эту научную революцию стала попытка Эрнста Геккеля переписать заново всю биологию. В работе «Всеобщая морфология организмов» (1866) он предпринял попытку разделить биологию на отрасли и поставить каждой из них определенную задачу. Именно в этой работе было введено понятие экологии.

Эдвард Зюсс в 1875 г. вторично (после Ламарка) употребил термин «биосфера» в работе о геологическом строении Альп. Карл Мебиус в 1877 г. на примере устричных банок (мелей) открыл существование биоценозов. В конце XIX в. Владимир Онуфриевич Ковалевский дал начало палеоэкологическим исследованиям, а Василий Васильевич Докучаев заложил основания почвоведения, дал представление о факторах формирования почв и предложил их классификацию. В начале XX в. Владимир Иванович Вернадский создал биогеохимию, описав планетарное значение живого вещества.

В 30-е годы XX в. советская школа экологии пользовалась значительным мировым авторитетом. Владимир Владимирович Станчинский вплотную подошел к обоснованию представлений об экосистеме. Советское руководство уничтожило природоохранное направление в экологии (как охраняющее природу от народа!). Станчинский дважды арестовывался, а в 1942 г. умер в тюрьме. В период господства идей, развивавшихся Трофимом Денисовичем Лысенко, идеологически искажались многие экологические факты (например, Лысенко отрицал внутривидовую конкуренцию, проводя параллель между отношениями особей в популяции и людей, принадлежащих к одному классу).

Понятие экосистемы введено в 1935 г. Артуром Тенсли, а биогеоценоза — в 1944 г. Владимиром Николаевичем Сукачевым. Концепция экологической ниши создана Чарльзом Эльтоном и Джорджем Хатчинсоном. Развитие математических моделей популяционного роста связана с работами Роберта Перля, который заново открыл логистическое уравнение, предложенное в 1838 году бельгийским математиком П.Ф. Ферхюльстом, а также с идеями Альфреда Джеймса Лотки и Вито Вольтерра (1860-1940).

Иногда утверждают, что математическая биология ведет начало от работы Вольтерра «Математическая теория борьбы за существование», опубликованной в 1931 г. Вольтерра был известным итальянским математиком и убежденным антифашистом: из всех итальянских сенаторов он был единственным, кто проголосовал против передачи власти Бенито Муссолини. Поскольку Вольтерра отказывался сотрудничать с фашистским режимом, он был существенно ограничен в своей научной деятельности и эмигрировал во Францию.


Широкую известность получила концепция конкурентного исключения, предложенная молодым московским биологом Георгием Франциевичем Гаузе в результате его экспериментов с инфузориями.

Одним из достижений последних десятилетий является создание в 1970-х годах английским химиком Джеймсом Лавлоком и американским биологом Линн Маргулис гипотезы Геи, рассматривающей всю Землю как саморегулирующуюся систему.

Конец XX века стал периодом широкого внедрения в экологию математического моделирования.

«Всемогущие» компьютеры в ряде случаев также не улучшили, а ухудшили ситуацию, так как стали <...> причиной появления «компьютерного опиума в экологии», т.е. утери экологами интуиции при оценке экологических закономерностей природы и очевидной переоценки возможностей их математического описания. Все это вело к созданию видимости «большой науки» там, где ее нет» (М.Б. Миркин,Л.Г. Наумова, 2005).

Разочарование в поиске универсальных, напоминающих физические, «законов экологии» привело к более тщательному изучению отдельных биосистем. Стало ясно, что особенности каждой из сложных биосистем — не досадные помехи, мешающие вскрыть ее настоящую суть, а отражение фундаментального свойства жизни: уникальности ее единиц.

1.5. Уровни организации биосистем

Вся живая материя восстает перед нами как одно целое, как один огромный организм, заимствующий свои элементы из резервуара неорганической природы, целесообразно управляющий всеми процессами своего прогрессивного и регрессивного метаморфоза и, наконец, отдающий снова всё заимствованное назад мертвой природе.

С.Н. Виноградский. Лекция перед императорской семьей 8.12.1896 г.

Экология рассматривает взаимосвязи со средой обитания живых систем: организмов, популяций, экосистем, биосферы. Чтобы разобраться в разнообразии этих биосистем, необходимо рассмотреть само понятие «система». Оно происходит от греческогоsystema — составленное из частей; соединение. По одному из самых простых, но вполне пригодных для данного случая определений система есть упорядоченное целое, состоящее из взаимосвязанных частей.

Аристотелю, «отцу всех наук», принадлежит афоризм: «целое больше суммы своих частей». Что он имел в виду? Ясно, что в некоторых случаях (например, при сложении) целое как раз и является суммой своих частей! Например, вес компьютера в точности равен весу всех его комплектующих. Но обладают ли комплектующие компьютера, взятые по отдельности, способностью обрабатывать данные, преобразовывать и воспроизводить изображения, принимать и передавать информацию? Естественно, эти качества детали компьютера приобретают, только будучи соединены определенным образом. Именно

Глава 1. Экология и биосистемы, которые она изучает


1.6. Подходы к изучению биосистем


15



поэтому, давая определение системы, мы подчеркнули, что она является упорядоченным целым.

Итак, свойства систем можно разделить на две группы: те, которые являются суммой свойств ее частей, и те, которые возникают у системы, как у единого целого. Назовем эти свойства. Аддитивные свойства системы (лат. additioприбавление) являются суммой свойств ее частей. Качественно новые свойства системы называются эмергентными (от лат. emergereвсплывать, появляться). Зачастую английское прилагательное «emergent» передают по-русски как «эмерджентный», что не соответствует сложившейся традиции передачи буквы «g» в терминах: мы ведь говорим и пишем «ген», а не «джен», несмотря на английское «gen»!

Биологические системы организованны иерархически, и на каждом уровне осуществляется регуляция, использующая сходные принципы. Получивший развитие в конце XX века системный подход, восходящий в своем развитии к Людвигу фон Берталанфи, связан с тем, что системы, состоящие из сходно взаимосвязанных частей, имеют сходные целостные (эмергентные) свойства. Сравнивая системы разного уровня, можно увидеть между ними много общего, а можно и найти черты специфичности каждого из уровней. Осмысление этих закономерностей вылилось в концепцию структурных уровней организации биосистем, которая начала развиваться в 30-х годахXX века,

Таблица 1.5.1 Примеры биосистем различных уровней и их эмергентных свойств

Уровень

Пример

Эмергентные свойства

Молекулярный

Молекула белка

Обладает характерной конформацией, способна к выполнению определенных функций в клетке

Клеточный

Клетка

Обладает основными свойствами живых систем: способна к обмену веществ, размножению и т.д. У одноклеточных обладает свойствами организма, у многоклеточных предназначена для выполнения определенной функции

Органно-тканевой

Нейронная сеть

Управляет клеточной жизнедеятельностью (делением, обменом веществ, функциональной активностью). Способна к обработке информации и выполнению определенных кибернетических функций

Организ-менный

Особь

Является единицей естественного отбора (как целое гибнет или выживает и размножается). Обладает индивидуальностью, возникающей в результате онтогенеза

Популяци-онный

Популяция

раздельнополых

организмов

Обладает потенциальным бессмертием и способностью к эволюции. Характеризуется определенной половозрастной, пространственной, генетической, иерархической структурой

Биогеоце-нотический

Биогеоценоз

Способен к развитию (сукцессии), осуществляет частично замкнутый круговорот веществ

Биосферный

Биосфера

Осуществляет замкнутые биогеохимические циклы (с учетом обмена веществом с космосом и земными недрами). Регулирует некоторые свойства планеты (гипотеза Геи). Способна к биосферной эволюции


а окончательно сложилась в 60-х годах. Так, принято выделять следующие уровни организации биосистем: молекулярный—(генный)—(субклеточный) — клеточный — (органно-тканевой) — (функциональных систем) — организмен-ный —популяционный —биогеоценотический — биосферный. В приведенном списке уровни, взятые в скобки, можно считать относительно менее важными, чем уровни без скобок.

Различные уровни биосистем следует выделять потому, что каждый из уровней характеризуется свойствами, отсутствующими на нижележащих уровнях. Универсальный перечень уровней организации биосистем составить невозможно. В зависимости от того, какие биосистемы и с какой точки зрения изучаются, надо выделять больше или меньше уровней, на каждом из которых возникают какие-то эмергентные свойства. Целесообразно выделять такое число уровней, чтобы каждому из них были присущи свойства, изучение которых на нижележащем и вышележащем уровнях невозможно. Полное изучение системы должно включать также изучение вышестоящих- и нижележащих систем («надсистем» и подсистем).

Так, демографическая структура популяции отсутствует на уровне отдельного организма, а феномен человеческого сознания отсутствует на уровне отдельных структур мозга. Феномен жизни возникает на клеточном уровне, а феномен потенциального бессмертия— на популяционном. Организм является единицей естественного отбора. Специфика биогеоценотического уровня связана с составом его компонентов и круговоротом веществ (сопровождающимся потоками энергии и информации), а биосферного уровня — с замкнутостью круговоротов веществ. Примеры эмергентных свойств некоторых биосистем приведены в таблице 1.5.1.

Выделение надорганизменных структурных уровней биосистем может производиться по двум различным принципам. С экологической (функционально-энергетической) точки зрения, популяция является частью биогеоценоза, а он —частью биосферы. Этот подход в основном соответствует экологическому определению популяции. С филетической (связанной с филами —эволюционными ветвями), т.е. генетико-эволюционной точки зрения, популяция является частью вида и надвидовыхтаксонов (что соответствует генетическому подходу к определению популяции, см. пункт 4.1).

1.6. Подходы к изучению биосистем

Я считаю, что познать часть без познания целого также невозможно, как познать целое без знания его частей. Блез Паскаль

Биологию можно делить на части в трех относительно независимых измерениях (рис. 1.6.1): с одной стороны— по объекту изучения (зоология, ботаника, микробиология и др.), с другой — по методу(молекулярная биология, биохимия, генетика и т.д.), и с третьей —по подходу, определяющему рассматриваемые проблемы: морфологическому (описывающему структуры), физиологическому (описывающему процессы), экологическому (описывающему связь со средой) и эволюционно-историческому (описывающему предысторию


16


Глава 1. Экология и биосистемы, которые она изучает


1.7. Регуляция биосистем


17



Основной

Понимание обусловленности (Почему?)

По подходу:

Изучение структуры

А

^Изучение связи со средой и предназначения

¦>

Изучение функции

Изучение

предыстории

(Когда?)

По методу:

Изучение взаимоотношений организмов и их групп со средой

Изучение механизмов

исторических

изменений

Изучение механизмов

наследственности

и изменчивости

Изучение индивидуального развития

Изучение клеток Изучение химического состава и обмена веществ организмов

Бактерии

иархе--

бактерии

Вирусы -

Рис. 1.6.1. Различные способы подразделения биологии на отрасли

системы). Рассмотрение структуры, функции, предназначения (отношений со средой) и предыстории —четыре взаимосвязанные, но несводимые друг к другу направления изучения любой системы. Объяснительная ценность экологии состоит в том, что она дает ответы на вопросы «зачем?», а в сочетании с эволюционно-историческим подходом —«почему?» (а не «что?» и «как?»).

С этой точки зрения становится понятно, что экологический подход может быть применен не только для изучения систем, традиционно рассматривающихся в рамках экологии (от организма до биосферы), но и любых других систем. Экологическое рассмотрение митохондрии предусматривает изучение ее предназначения и взаимодействия с ее внутриклеточным окружением.

Морфологическое (и частично физиологическое) изучение биосистем является по большей мере редукционистским, т.е. переносящим внимание от свойств системы к свойствам ее частей (лат. reductioвозвращение, отодвигание назад). Экологический подход по своей сути — холистический, рассматривающий систему как целое или часть более высокой системы (греч. holosцелый).

1.7. Регуляция биосистем

Жизнь основана на непрерывном изменении, в котором, тем не менее, сохраняются постоянными большинство важных свойств живых систем. Так, всего за год в теле каждого человека сменяется большинство атомов, а сам человек остается практически таким, как был. На протяжении столетий в лесу сменяются все населяющие его организмы, но важные свойства леса


Б.

поток энергии Прямая^ связь

А.   >-

Интенсивность горения костра

Регулирующий фактор

СВЯЗЬ

Выплескивание жидкости из котелка

Рис 1.7.1. Пояснение понятия обратной связи. А. Прямая и обратная связи.

Б. Пример обратной связи

сохраняются постоянными. Какие свойства биосистем обеспечивают такую устойчивость в ходе изменений?

Для ответа на этот вопрос важны кибернетические (относящиеся к науке об управлении) понятия прямой и обратной связи. Прямая связь —это влияние какого-то фактора на изучаемую систему, управление ею (пример: поворачивая руль, водитель изменяет направление движения автомобиля). Обратная связь —зависимость управляющего воздействия от состояния самой системы (пример: изменение движения автомобиля влияет на повороты руля водителем). Таким образом, обратная связь это управление системой с учетом ее состояния, зависимость управляющего воздействия от его результатов (табл.1.7.1).

Выделяют два типа обратных связей. Положительные обратные связи усиливают отклонение регулируемой величины от исходного состояния, а отрицательные возвращают систему в прежнее состояние. Иначе можно сказать, что положительные обратные связи —это взаимная стимуляция двух процессов, а обратные— подавление отклонений управляемого процесса.Рассмотрим простейший пример: над жарко горящим костром кипит котелок с водой. Если огонь горит слишком сильно, часть воды выплескивается, частично заливает костер и уменьшает интенсивность горения. Когда огонь затухает, выплескивание прекращается, и огонь постепенно разгорается вновь. В данном примере отклонение регулируемой величины (интенсивности горения) вызывает такое изменение действия регулирующего фактора (выплескивания), которое оказывает на регулируемую величину воздействие, противоположное (отрицательное по знаку) начальному отклонению. Значит, в данном случае мы имеем дело с отрицательной обратной связью.

А в каком случае в подобном примере обратная связь окажется положительной? Если в котелке вместо воды будет керосин! При этом чем ярче будет гореть костер, тем сильнее будет выплескиваться керосин, что будет еще более усиливать горение костра.

Существенно, что в примере с котелком положительные обратные связи быстро выведут систему из ее исходного состояния (котелок опустеет), а отрицательные (если в котелке — вода) приведут к сохранению ее свойств относительно постоянными. Отрицательные обратные связи стабилизируют систему, а положительные — переводят ее в иное состояние (т.е. разрушают прежнюю структуру взаимосвязей). Наличие альтернативных режимов функционирования биосистем определяется комбинациями двух типов обратных


18


Глава 1. Экология и биосистемы, которые она изучает


1.7. Регуляция биосистем


19



Основной

Таблица 1.7.1 Примеры регуляции по принципу отрицательной обратной связи для разных уровней организации биосистем

Уровень

Пример регуляции по принципу отрицательной обратной связи

Процесс

Прямая связь

Обратная связь

Молекулярный

Регуляция активности фермента

Фермент синтезирует определенный продукт

Недостаток продукта приводит к активизации фермента и усилению синтеза этого фермента клеткой, а избыток - к его ингибированию и торможению синтеза

Клеточный

Взаимосвязь между ассимиляцией и диссимиляцией

Расщепляя органические вещества, животная клетка получает энергию

Увеличение расхода энергии клеткой приводит к усилению процессов, в ходе которых она эту энергию получает; уменьшение расходов приводит к торможению диссимиляции

Органно-тканевой

Регуляция деления клеток в ткани

Новые клетки образуются в результате деления имеющихся

Контакты между соседними клетками в тканях тормозят их пролиферацию; отсутствие соседних клеток и контактов с ними стимулирует клетку к размножению

Организ-менный

Поддержание температуры поверхности тела у гомойотермных организмов

Усиление поверхностного кровообращения приводит к разогреванию поверхности тела

Охлаждение поверхности тела приводит к усилению кровообращения и восстановлению необходимой температуры, а умеренное нагревание - к уменьшению кровоснабжения поверхности

Популя-ционный

Регуляция размножения благодаря территориальности

У многих видов в размножении принимают участие только особи, имеющие индивидуальный участок

При избыточной численности популяции значительная часть энергии особей тратится на территориальные конфликты, а количество приносимого потомства не увеличивается или даже уменьшается; при снижении численности наблюдается обратная реакция

щ

Биоценотиче-ская регуляция численности популяции

Хищники, паразиты и недостаток ресурсов влияют на численность популяции

При сокращении численности популяции хищники переключаются на других жертв, затрудняется распространение паразитов, становятся доступнее ресурсы; рост численности вызывает противоположные процессы

Биосферный

Регуляция содержания углекислоты в атмосфере

Фотосинтез и связывание уменьшают концентрацию СО,

С ростом концентрации СО, усиливается фотосинтез и связывание углекислоты в виде извести в воде океана

связей: отрицательные стабилизируют каждый режим, а положительные обеспечивают переключение между такими режимами.

Например, изменения в ходе онтогенеза управляются положительными обратными связями. Так происходит, к примеру, развитие влюбленности (переключение с одной поведенческой программы на другую): стимул вы-

зывает интерес, интерес усиливает действие стимула. Интерес вызывает определенные действия, которые также приводят к возрастанию стимула и росту интереса и т.д. Процесс ухаживания и сближения достигает кульминации, после чего система переходит в иное состояние...

Обычно отрицательные обратные связи могут действовать в определенном диапазоне регуляции. При выходе за пределы этого диапазона вступают в действие разрушающие систему положительные обратные связи. Возвращаясь к примеру с котелком на костре, можно убедиться, что и резкое возрастание силы пламени, и потухание костра выведет систему за пределы «коридора» в котором ее состояние регулируется отрицательными обратными связями. Приведем более актуальный пример: увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере активизирует снижающие его реакции (усиливает фотосинтез, увеличивает связывание в виде карбоната кальция в Мировом океане). При выходе концентрации углекислого газа за определенные границы (например, при его чрезмерном повышении) включаются механизмы, переводящие систему в другое состояние. Рост температуры из-за парникового эффекта вызывает уменьшение фотосинтезирующей зеленой массы, ускорение высвобождения углекислоты из почвы и т.д., что может привести к его дальнейшему повышению (и переходу системы в другое состояние с другими стабилизирующими его отрицательными обратными связями).

Биологические системы можно рассматривать как кибернетические, характеризующиеся упорядоченными внутренними взаимодействиями. В организмах управляющая система внутренняя и специализированная, в технических устройствах с отрицательной обратной связью (сервомеханизмах)—внешняя и специализированная, в экосистемах—внутренняя и неспециализированная (рис. 1.7.2). Типичной особенностью всех кибернетических систем является то, что низкоэнергетические процессы в них управляют высокоэнергетическими (движение руки на рубильнике останавливает завод). На организменном уровне существенные перестройки обмена веществ могут вызвать всего несколько молекул гормонов. В экосистемах наибольшее регулирующее воздействие на сообщество могут оказывать вершинные хищники, которые ответственны лишь за небольшую долю проходящего в экосистеме обмена веществ. Перепончатокрылые паразитоиды (см. пункт 4.1) трансформируют небольшую долю потока энергии, протекающего через биоценоз, но эффективно регулируют его чистую продукцию через растительноядных насекомых.


20


Глава 1. Экология и биосистемы, которые она изучает


1.9. Свойства сложных систем


21



Регуляция на различных уровнях биосистем часто осуществляется благодаря отрицательным обратным связям, что придает многим биосистемам сходные свойства. Приведем несколько примеров регуляции по принципу отрицательных обратных связей на разных уровнях биосистем.

1.8. Устойчивость биосистем

Характерная особенность регуляции по принципу отрицательной обратной связи заключается втом, что она приводит к колебаниям регулируемой величины. Интересно сравнить, например, явления, происходящие втеле стоящего человека и стоящего стола. Стол претерпел упругую деформацию, при котором действие силы тяжести уравновесилось силой упругости, и пребывает в неподвижности. Человек непрерывно контролирует свою позу (используя для этого существенную часть «мощности» своего мозга). Небольшое отклонение тела в одну из сторон вызывает срабатывание рецепторов, которые подключают эффекторы (мышцы), возвращающие систему в необходимое состояние. Действие этих эффекторов компенсирует отклонение с определенным избытком. Из-за этого система проходит через оптимальное состояние и требует регулирующего воздействия в обратном направлении. Тело стоящего человека оказывается вовлеченным одновременно в несколько колебательных процессов с различной частотой и амплитудой! Именно поэтому стоящий человек устает и тратит энергию, а стол не тратит энергии и не изнашивается.

А что произойдет, если на биосистему, которая регулируется по принципу отрицательной обратной связи, оказать какое-то внешнее воздействие, которое изменит ее параметры? Рассмотрим это на примере регуляции численности популяции. Находящаяся в устойчивом состоянии популяция сохраняет свою численность относительно постоянной, испытывая при этом непрерывные колебания. Предположим, катастрофические события или воздействия человека уничтожили значительную часть особей такой популяции. Как она прореагирует на это воздействие?

Если воздействие выведет популяцию за пределы регуляции ее численности отрицательными обратными связями, она погибнет. Так, если численность особей в ней станет очень

У Воздействие

2

Мера упругости

Время

Рис. 1.8.1. Основные меры устойчивости биосистем

низкой, может нарушиться их размножение (например, из-за того, что партнеры не смогут найти друг друга). Сработают положительные обратные связи: снижение численности популяции вызовет снижение рождения новых особей. В результате биосистема перейдет в иное состояние (популяция погибнет). Если же воздействие окажется не критичным, отрицательные обратные связи смогут вернуть численность популяции к норме. Это означает, что снижение численности приведет


к ослаблению внутривидовой конкуренции, усилению размножения и лучшему выживанию молоди.

То, с какой скоростью измененная система вернется в свое нормальное состояние, является важной характеристикой ее устойчивости. Итак, можно сказать, что устойчивость биосистем слагается из двух параметров: способности противостоять воздействию и способности возвращаться в норму после изменения. Эти параметры отражают разные свойства системы (их можно сравнить с твердостью и упругостью в механике: алмаз тверд, но не упруг, а резина нетверда, но упруга). Эти параметры связаны отрицательной корреляцией (как и прочность и упругость в классической механике). Это две составляющих общей устойчивости (показанной на рисунке в виде площади между кривой, описывающей динамику состояния системы, и «коридором» нормы).

1.9. Свойства сложных систем

Когда я гляжу на корову, пасущуюся на лугу, все, что я вижу - лишь бешенная пляска электронов. Автор неизвестен (квинтэссенция мировоззрения редукционистов от биологии)

Можно ли при изучении столь сложных систем, как те, которые изучает биология, обойтись только редукционистским подходом? Можно ли обойтись без него?

«Задача определения объекта науки - отделение его от объектов остальных наук. В случае биологии этому мешали многочисленные философские предрассудки, до сих пор окончательно не преодоленные. Я говорю о сведении более сложных форм к более простым и тенденции считать эти простые формы более «истинными», «реальными», чем более сложные. Первое - сведение сложного к простому - вполне законный, более того, необходимый научный прием. Второе -тенденция считать продукты абстракции, простые формы более реальными, чем вещи, из которых они были абстрагированы, - дурная философия, философский реализм понятий, который любят критиковать у средневековых схоластов, но не видят у себя. Тогда электроны, атомы, молекулы, химические процессы считают истинной реальностью, организму же, из них построенному, достается уже существенно меньше реальности, он всего лишь «эпифеномен», внешнее проявление своих кирпичиков» (Я.Н.Данько, 2001).

На протяжении нескольких веков успехи биологии были связаны в основном с редукционистским подходом (см. пункт 1.6). Сейчас редукционистская методология в большой мере исчерпала свои возможности.

Одно из проявлений кризиса редукционистской методологии —невозможность поэлементного, мозаичного описания сложных систем, характеризующихся богатством внутренних взаимосвязей.

Целостность биосистем связана не с наличием у них целых оболочек, а с взаимозависимостью их частей. В XX веке несколько крупных ученых (например, советский зоолог и эволюционист Иван Иванович Шмальгаузен, а также французский ученый и священник Пьер Тейяр де Шарден) поняли, что


22


Глава 1. Экология и биосистемы, которые она изучает


1.10. (дополнение) Общие свойства биосистем


23



На полюсах -белые марга-ритки, охлаждающие планету

Изменение температур в "Маргаритковом мире" Изменение температур на безжизненной планете

Излучение звезды

Рис. 1.9.1. «Маргаритковый мир» поДж.Лавлоку

целостность любой системы связана с накоплением функциональных отличий между ее частями.

Простые системы могут быть описаны достаточно легко. Для этого нужно задать совокупность исходных элементов, для каждого из которых указать его роль в общих свойствах целого. Однако даже когда речь идет о не очень сложных технических системах, на первый план выходят их целостные свойства, обусловленные взаимодействием частей. Когда речь идет, к примеру, о свойствах организма, его мозаичное описание оказывается невозможным. Имеющиеся в распоряжении человека вычислительные средства, математический аппарат и даже попросту его логика годятся лишь для решения принципиально более простых задач.

Чем более целостна система, тем сложнее ее мозаичное описание. Мозг столь сложен, потому что объединен множеством связей (нейрон мозга человека может иметь 100 тысяч синапсов). Возможно, что человеческий мозг является самым сложно организованным объектом во Вселенной (по крайней мере, конкурировать с ним мог бы лишь мозг более развитого существа). Экосистемы менее целостны, и ихэмергентные свойства не столь неожиданны. Тем не менее, даже достаточно простые системы способны проявлять неожиданные эмергентные, вызванные неразложимым на отдельные элементы взаимодействием частей системы, свойства. Примером может быть предложенная в 1979 году Дж. Лавлоком умозрительная модель глобальной регуляции, получившая название «Маргаритковый мир» (рис. 1.9.1).


Модель Лавлока основана на предположении, что звезды того же класса, что и Солнце, со временем повышают светимость. Сейчас Солнце должно светиться на 40% сильнее, чем 4,6 млрд. лет назад. Это означает, что температура на планетахтакихзвезд, какСолнце, должна расти. Но в истории земной биосферы не видно проявлений такого разогрева. Дело в том, что если планеты населены, организмы могут модифицировать влияние излучения звезды.

В модели рассматривается планета, находящаяся возле разогревающейся со временем звезды. На планете — единственный вид жизни, маргаритки, представленные двумя формами —черной и белой. Они живут лишь в определенном диапазоне температур, причем при температуре ниже оптимальной имеют преимущество черные маргаритки (они лучше нагреваются), а при температуре выше оптимальной — белые. Эти цветы при благоприятных температурных условиях могут покрывать всю поверхность планеты. Черные маргаритки темнее поверхности планеты (и, распространяясь, увеличивают нагревание планеты светом звезды), а белые — светлее (и способствуют охлаждению планеты).

Кактолько на экваторе температура достигает приемлемого для маргариток значения, там селятся черные растения, ускоряющие разогрев планеты. После того, как вся планета окажется покрыта цветами, температура будет оставаться постоянной, а в ответ на изменения светимости звезды будет лишь меняться соотношение двух форм маргариток. Чем больше будет поток энергии от звезды, тем выше будет доля белых маргариток, и тем меньше будет нагреваться поверхность планеты. Пока хоть где-то на планете будут сохраняться условия для существования маргариток, они будут изменять свойства среды в желательном для себя направлении.

«Итак, дажетакая суперпримитивная биосфера, состоящая из единственного вида растений, которые всего-то и умеют, что варьировать цвет своихлепестков, способна создавать эффект вполне космического характера - глобально менять температуру поверхности планеты. Однако более существенен не факт изменения температуры, а то, что планета превращается в гомеостат, и поддерживает свою температуру постоянной вопреки внешним изменениям (светимости Солнца) Замечательно и то, что система как целое работает с отрицательной обратной связью, хотя каждый из ее элементов - с положительной; это является характерной особенностью именно живых систем (вспомним, например, систему хищник-жертва)» (К.Ю. Еськов, 1999).

Эмергентные свойства «Маргариткового мира» возникают, как кажется, «из ничего». Задумайтесь: земная биосфера намного сложнее и имеет намного больше степеней свободы!

1.10. (дополнение) Общие свойства биосистем

При всей специфичности биосистем разных уровней, для них можно выделить ряд общих свойств. Назовем некоторые из них.

Определенный состав и упорядоченность. Все биосистемы характеризуются высокой упорядоченностью, которая может поддерживаться только благодаря протекающим в них процессам. В состав всех биосистем, лежащих выше молекулярного уровня, входят определенные органические вещества, некоторые неорганические соединения, а также большое количество воды. Упорядоченность клетки проявляется в том, что для нее


24


Глава 1. Экология и биосистемы, которые она изучает


1.11. (дополнение) Модели, их ограничения и опасности


25



характерен определенный набор клеточных компонентов, а упорядоченность биогеоценоза - в том, что в его состав входят определенные функциональные группы организмов и связанная с ними неживая среда.

Иерархичность организации. Как будет подробнее рассмотрено в следующем пункте, жизнь проявляет себя одновременно на многих уровнях организации, каждый из которых имеет свои особенности.

Обмен веществ - важнейшая особенность функционирования биосистем. Это совокупность происходящих в ниххимических преобразований и перемещений веществ. На клеточном и организменном уровнях обмен веществ связан с питанием, газообменом и выделением, а, например, на биогеоценотическом - с круговоротом веществ и их перемещением между разными биогеоценозами.

Поток энергии через биосистемы тесно связан с их обменом веществ. Благодаря тому, что атомы вещества в ходе их преобразований не изменяются, вещество может совершать круговорот в живых системах. Энергия, в соответствии со вторым началом термодинамики, при превращениях частично рассеивается (переходит в форму тепла), и поэтому живые системы существуют только в условияхтекущего через них потока энергии из внешнего источника. Для биосферы в целом таким источником является Солнце.

Способность к развитию. Все биосистемы возникают и совершенствуются в ходе эволюции. Эволюция на молекулярном уровне привела к возникновению организмов; благодаря эволюции популяций меняются характерные свойства организмов и всех входящих в их состав систем. Изменение биогеоценозов и биосферы также связано с их способностью к эволюции. Развитие отдельного организма называется онтогенезом; эволюционная история вида - филогенезом; развитие биоценозов на одном участке территории - сукцессией.

Приспособленность - соответствие между особенностями биосистем и свойствами среды, с которой они взаимодействуют. Приспособленность не может быть достигнута раз и навсегда, так как среда непрерывно меняется (в том числе благодаря воздействию биосистем и ихэволюции). Поэтому все живые системы способны отвечать на изменения среды и вырабатывать приспособления ко многим из них. Результатом способности живых систем вырабатывать приспособления является поражающее воображение совершенство и целесообразность живых организмов и жизни в целом. Долгосрочные приспособления биосистем осуществляются благодаря их эволюции. Краткосрочные приспособления клеток и организмов обеспечиваются благодаря их раздражимости -свойству реагировать на внешние или внутренние воздействия. Определенным образом отвечают на изменения и биосистемы всех других уровней, что позволяет говорить, что они находятся в состоянии обмена информацией со средой.

Саморегуляция. Биосистемы находятся в состоянии постоянного обмена веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Например, клетки и организмы благодаря саморегуляции поддерживают постоянство своей внутренней среды (гомео-стаз), а биогеоценозы поддерживают свой видовой состав и определенные свойства неживой среды. Поддержание постоянства свойств биосистем обеспечивается благодаря отрицательным обратным связям, а их изменение и развитие - благодаря положительным обратным связям.

Динамичность (состояние непрерывных изменений). Жизнедеятельность на всех уровнях организации биосистем связана с обменом веществ и информации, а также потоком энергии. При этом каждая биосистема, начиная от клеточного уровня, является не столько структурой, сколько процессом. Так, клетка остается сама собой, несмотря на то, что в результате обмена веществ сменяются образующие ее вещества. Популяция


существует, несмотря на то, что гибнут и появляются входящие в ее состав особи. Для клеток и организмов характерным проявлением динамичности является подвижность -способность к изменению положения и формы самой системы и ее частей.

Целостность (интегрированность) - необходимое условие для рассмотрения того или иного объекта как системы. Это результат взаимосвязи и взаимозависимости частей биосистем, основа возникновения у системы змергентных свойств. Системы разных уровней отличаются по степени взаимозависимости своих частей. Так, клетка и организм - относительно более целостные биосистемы, чем биогеоценоз. Это проявляется в том, что состав частей клетки и организма менее изменчив, чем состав биогеоценоза. На биогеоценотическом и биосферном уровне в состав биосистем входят как живые, так и неживые компоненты (впрочем, неживые компоненты, например отмершие ткани, могут входить и в состав организмов, а также биосистем других уровней).

Уникальность. Все биосистемы, начиная от клеточного уровня, неповторимы и отличаются от аналогичных систем. Например, имеющие идентичную наследственную информацию организмы (однояйцовые близнецы, клоны и т.д.) обладают неповторимой индивидуальностью, зависящей от бесконечно разнообразных особенностей воздействия на них среды и саморегуляции входе развития.

Способность к воспроизводству биосистем обеспечивает устойчивость жизни во времени. Биомолекулы синтезируются клеткой; клетки (и даже некоторые структуры эукариотической клетки) воспроизводятся путем деления. На организменном уровне воспроизводство обеспечивается благодаря размножению. Преемственность поколений на организменном (а также на клеточном) уровне обеспечивается наследственностью, а возможность эволюции - изменчивостью. Воспроизводство популяций, биогеоценозов (а быть может и биосферы) обеспечивается не только размножением организмов, но и благодаря их способности к расселению.

1.11. (дополнение) Модели, их ограничения и опасности

Некоторые объекты невозможно или сложно исследовать непосредственно. Что будет, если из рыборазводного пруда выловить всех рыб, превышающих определенный размер? Как отреагирует биосфера на атомную войну? Провести соответствующий эксперимент зачастую затруднительно или невозможно, а узнать ответ на такой вопрос важно. В этом и во множестве других случаев используются модели. Модель-система, созданная для изучения системы-оригинала; она должна иметь сходный характер взаимодействия частей и благодаря этому обладать подобными эмергентными свойствами. Модель может иметь весьма различную природу. Физическая модель состоит из физических тел, имитирующих части системы, понятийная - из определенных абстракций, а математическая - из взаимосвязанных математических функций.

Например, для изучения биосферы можно создать ее математическую модель. Для этого следует определить, из каких компонентов состоит биосфера, и предположить, как они влияют друг на друга. Затем следует создать систему уравнений, переменные в которой будут описывать взаимодействие частей биосферы. Внося в эту модель определенные изменения, мы сможем предположить, как реагировала бы на них система-оригинал! А зачем нужны математические модели? Учесть всю сложность окружающего нас мира невозможно. Именно поэтому его изучение часто подменяется изучением более-менее упрощенных моделей.

?
 



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.