I. Предмет экологии, методы и задачи экологии План
| Вид материала | Лекция |
- Программа вступительного экзамена в аспирантуру по специальной дисциплине 03. 02., 89.09kb.
- Вопросы к зачету по дисциплине «Экология», 38.39kb.
- Шилов И. А. Экология. М.: Высшая школа, 1998. Николайкин Н. И., Николайкина Н. Е.,, 25.15kb.
- Экология как научная, 94.09kb.
- Тематический план подготовки в Учебно-производственном экологическом центре специалистов, 75.64kb.
- Экология человека как научная, 87.99kb.
- Программа минимум кандидатского экзамена по специальности 03. 02. 08 экология, 290.05kb.
- План лекций по основам экологии и охраны природы для студентов 4 курса фармацевтического, 26.46kb.
- 1. Предмет, задачи и проблемы экологии как науки, 368.36kb.
- Задания к теоретической части программы (разработала: Оскирко С. А.) Предмет и задачи, 130.37kb.
^ Законы экодинамики
В природе наблюдается сохранение вещественной, энергетической и информационной структуры, хотя она и несколько меняется в ходе эволюции. Эти свойства Ю. Голдсмит (1981г.) обозначил как законы экодинамики: – закон сохранения структуры биосфер и – закон стремления к достижению экологической зрелости и равновесности экосистем.
Существуют аксиомы – поговорки американского ученого Б.Коммонера (1974 г.); хотя они больше относятся к основам природопользования, в них находят отражение важные постулаты экологии:
^ 1. ВСЕ СВЯЗАНО СО ВСЕМ – здесь обращается внимание на всеобщую связь процессов и явлений в природе; эта аксиома близка по смыслу к закону внутреннего динамического равновесия.
^ 2. ВСЕ ДОЛЖНО КУДА-ТО ДЕВАТЬСЯ – эта аксиома близка к закону внутреннего динамического равновесия и закону развития природной системы за счет окружающей ее среды.
3. ^ ПРИРОДА «ЗНАЕТ» ЛУЧШЕ – эта аксиома говорит о том, что пока мы не имеем абсолютно достоверной информации о механизмах и функциях природы. Мы, подобно человеку не знакомому с устройством часов, но желающему их починить, легко вредим природным системам, пытаясь их улучшить. Она призывает к предельной осторожности. Один лишь математический расчет параметров биосферы требует безмерно большего времени, чем весь период существования нашей планеты.
Напрямую этот закон связан с принципом неполноты (неопределенности) информации. При проведении акций по преобразованию природы всегда недостаточно априорного суждения о всевозможных результатах (особенно в далекой перспективе) осуществляемого мероприятия. Связано это с исключительной сложностью природных систем, их индивидуальной уникальностью и неизбежностью природных цепных реакций, направление которых нередко трудно предсказуемо.
Прекрасной иллюстрацией к этой аксиоме служат тезис статьи «Диалектика природы» Ф. Энгельса: – «Не будем, однако, обольщаться нашими победами над природой. За каждую такую победу она нам мстит. Каждая из этих побед, имеет, правда, в первую очередь те последствия, на которые мы рассчитываем, но во вторую и третью очередь появляются последствия, которые зачастую уничтожают значения первых побед!»
Для уменьшения степени неопределенности, особенно при экспертизе проектов, моделирование следует дополнять непосредственным исследованиями в природе, натурными экспериментами и выяснением естественной динамики природных процессов.
4. ^ НИЧТО НЕ ДАЕТСЯ ДАРОМ – эта аксиома напоминает, что глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничего не может быть выиграно или потеряно и которое не может являться объектом всеобщего улучшения. Все, что было извлечено человеческим трудом, должно быть возмещено. Платежа по этому векселю нельзя избежать, он может быть только отсрочен. (В качестве примера – неверное толкование термина «альтернативная энергетика).
^ 2.3. Основные объекты экологии
Выделяют шесть уровней организации живой материи, образующих иерархию: молекулярный, клеточный организменный, популяционный (популяционно-видовой), экосистемный, биосферный.
^ Основные свойства живых систем – структурная организация, самовоспроизведение, обмен веществ и энергии, раздражимость, поддержание постоянства внутренней среды (гомеостаз), адаптация – реализуются уже на клеточном уровне. Однако полнота всех естественных проявлений жизни представлена на двух последних.
Организменный уровень. Организм (особь, индивидуум) – представитель биологического вида – генетически, морфологически и экологически однородной группы живых существ, обособленной от других видов.
Популяционный уровень. Каждый биологический вид в природе представлен популяциями. Популяция – совокупность особей одного вида, населяющих определенное пространство, изолированных от других популяций, имеющих общий генофонд, возможность свободно скрещиваться.
Популяция – элементарная форма существования вида в природе.
Экосистемный уровень. Экосистема – пространственно определенная совокупность организмов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическими и информационными взаимодействиями (озеро, лес, степь, море, океан, биосфера). Водные и наземные.
В экосистеме различают биотоп – абиотический компонент и биоценоз – совокупность всех живых организмов, населяющих данный биотоп. Биоценозы включают растения, животных, микроорганизмы.
(биотоп + биоценоз = биогеоценоз). Биогеоценоз – элементарная наземная экосистема, главная форма существования природных экосистем.
Биосферный уровень – совокупность всех живых организмов и их экологической среды в пределах планеты.
^ 2.4. Системные связи в экологии
Взаимоотношения в природе обозначены «пища – потребитель пищи», «хищник – жертва» и «ресурс – эксплуататор». Взаимодействия в них можно представить в виде контура прямых и обратных связей:
Ж Х (-)
Знаки – и + в данном случае обозначают однонаправленность и противонаправленность изменений. Чем больше численность популяции жертвы, тем больше пищи для хищников и численность их возрастает (положительная прямая связь, +). Но чем больше хищников, тем больше они уничтожают жертв и численность жертв уменьшается (отрицательная обратная связь, – ).
Если речь идет об одном виде хищника и одном виде жертв, хищник не в состоянии уничтожить всех, поскольку при снижении плотности жертв на участке, затраты энергии на их поиск и охоту превышают энергетическую ценность пойманной жертвы. Жертвы избегают встречи с хищником. В целом такой контур имеет отрицательный знак (–) «плюс и минус дают минус». Это означает, что система способна сама себя поддерживать. (принцип естественной саморегуляции).
Рассмотрим поведение более сложного контура. В экологической системе замкнутого водоема можно выделить такие компоненты: растворенные в воде минеральные питательные вещества (М); потребляющие их водоросли (В); животные, поедающие водоросли и других животных (Ж); отмершие остатки организмов и продуктов их жизнедеятельности – детрит (Д); разлагающие детрит до минеральных веществ бактерии (Б).
Рис. Схема взаимодействий (причинных связей) между основными компонентами экосистемы водоема
Допустим, что под влиянием внешнего фактора (температуры, попадании в водоем органики) началось усиленное развитие водорослей – фитопланктона. Это приводит к уменьшению запаса минеральных веществ и росту количества животных – от зоопланктона до рыб. Вызванное этим повышенное выедание фитопланктона приводит через какое-то время к ограничению размножения животных. Временное повышение биомассы гидробионтов ведет к нарастанию массы детрита. Будучи пищей для бактерий, детрит обуславливает их усиленное размножение и преобразуется ими в минеральные продукты. Цикл замыкается. Контур в цело имеет отрицательный знак. Система способна к самоподдержанию. На подобных механизмах основаны процессы самоочищения водоемов.
Но если в водоем попадает слишком большое количество биогенных элементов (систематически сбрасываются промышленные стоки), то происходит нарушение цикла. Начинается бурный рост водорослей, толщина их слоя резко увеличивается, снижается поступление света в нижние слои водоема, замедляются процессы фотосинтеза. Одновременно усиливается гниение большой массы отмерших клеток. На их разложение затрачивается весь растворенный в воде кислород и тогда погибают не только животные, но и разлагающие детрит бактерии. Цепь разрывается, Если стоки не прекратить, то природный механизм самоочищения уничтожается.
Т.о., отрицательные обратные связи имеют исключительно большое значение для любых систем, в которых осуществляется регуляция. Вообще, отрицательная обратная связь является главным элементом любого регулятора в технике. На принципе обратной связи построены все механизмы регуляции физиологических функций в любом организме и поддержание постоянства внутренней среды и внутренних взаимосвязей (гомеостаза) любой авторегуляторной системы. Все экологические системы включают контуры отрицательных обратных связей.
В отличие от них контуры положительных обратных связей не только не способствуют регуляции, а наоборот, генерируют дестабилизацию систем, приводя их либо к угнетению и гибели, либо к ускоряющемуся росту, к «разгону» системы, за которым, как правило, следует срыв и разрушение системы.
Так, в любом растительном сообществе, плодородие почвы, урожай растений, количество отмерших остатков растений – детрита и количество образующегося из него гумуса образует контур положительных связей. Система находится в неустойчивом равновесии, так как достаточно части урожая растений без последующего возврата в почву необходимого количества питательных веществ, чтобы начался процесс деградации почвы и снижения продуктивности растений.
На контурах положительной обратной связи основаны те механизмы современной экономики, когда рост производства поддерживается усилиями маркетинга, диктата предложения, навязчивой рекламой, которая искусственно провоцирует новые потребности и спрос.
Ярким примером фатальности положительной обратной связи может быть гонка вооружений, при которой увеличение количества оружия увеличивает риск поражения оружием и потребность в усилении вооруженной защиты, что ведет к новому витку производства еще более мощных вооружений.
Положительные обратные связи действуют и тогда, когда человек или общество ориентируются не на подлинный объективные критерии благополучия, а на кажущиеся сиюминутные прихоти. В результате действительное состояние, здоровье человека или общества ухудшается. Механизм такого поведения называют «мания»-структурой. В сложных системах всегда сочетаются контуры обоих знаков.
^ 2.5. Модель экосферы
Перейдем к связям, описывающим взаимоотношения человека и природы. Задача чрезвычайно сложна, но при некоторых допущениях, может быть сведена к очень простой схеме. Возьмем «простой» контур взаимодействий «природа – человек»:
П Ч (–)
При условии равновесности он был бы неотличим от пары «жертва – хищник». Будучи системой с отрицательной обратной связью, она должна быть самоподдерживающейся, авторегуляторной. Человек (эксплуататор), пользуясь природой как ресурсом, неизбежно ограничивает и тем самым угнетает сам себя через посредство угнетения природы. Но вряд ли можно ограничиться таким уровнем анализа.
В действительности, в настоящее время эта система не равновесна и не устойчива: сильная отрицательная связь Ч ----- П не уравновешивается слабой положительной связью Ч ----- П. Человек ведет себя так, как будто почти не испытывает ограничений и сопротивления со стороны природы.
На втором этапе развернем компоненты системы следующим образом. «Природа» представлена современной биосферой и подразделена на биоту биосферы и на среду, включая среду человека. Подсистема «человек» выделена как техносфера и подразделена на человека, общество и на человеческое хозяйство – экономику, производство, технику.
Техника (в широком понимании) это совокупность средств человеческой деятельности для осуществления процессов производства и обслуживания непроизводственных потребностей общества. Она опосредует взаимодействие человека и природы. Подобно тому, как биотиа биосферы представляет собой совокупность биоценозов, так и современное хозяйство можно представить как совокупность техноценозов, созданных человеком технизированных комплексов. Современное общество преобразует природу посредством техники.
Технократия (техно – искусство, ремесло, мастерство), (кратос –сила, господство, власть, правление). Этот термин имеет несколько толкований.
1. Направление в общественной мысли – общество может регулироваться принципами научно-технической рациональности, ее носителями являются техники, инженеры, ученые (технократы), к которым от предпринимателей и политиков должна перейти власть на предприятиях, в обществе в целом.
Технократические концепции отразили возросшее значение науки и специалистов для современного производства. ^ Характерная черта – ориентация на управление социальными процессами на основе техники и других узкоспециальных критериев, преуменьшение ценности этического измерения политики.
2. Обозначение слоя специалистов – функционеров, монополизированного производства и государственного аппарата.
3. Общественное движение в США в 30-х годах ХХ века; цель которого – достижение всеобщего благосостояния с помощью индустриального переворота в результате научного планирования производства в национальных масштабах.
Может показаться, что категория экономики в этом блоке избыточна, поскольку в нем представлены производство и техника, и природе как бы «нет дела» до нематериальной части экономики – денег, цен, кредитов, ренты, прибыли и т.д. Непосредственное воздействие на природу оказывают именно материальные техногенные потоки. Но чтобы понять причины, источники, механизмы техногенного давления на природу, необходимо рассматривать хозяйство в контексте взаимодействия экономики человека и экономики природы.
Контур техносферы имеет положительный знак, поскольку взаимозависимость между людьми и их техникой положительна: человечество растет и наращивает производство для своего дальнейшего роста, т.е. прямая и обратная связи положительны. Всю историю и особенно в ХХ веке система находилась и продолжает находиться в состоянии экспоненциального роста, который лишь частично сдерживается дефицитом ресурсов и лимитирующим факторами среды.
^ Контур биосферы имеет отрицательный знак, т.к. взаимодействие между организмами и средой в природе в целом уравновешены: биота биосферы обладает средообразующей функцией и точно контролирует свойства собственной среды (+), а условия среды лимитируют увеличение массы биоты (–).
В целом, система экосферы обладает свойствами контура с отрицательной обратной связью и должна быть способна к авторегуляции. Благополучие человечества обусловлено двумя сильными положительными связями: одной – со стороны экономики, другой – со стороны экологической среды. Сами люди отдают явное предпочтение получению произведенных ценностей. Поскольку население и его потребности растут, увеличиваются и масштабы экономики.
Это увеличение до сих пор происходит намного быстрее, чем растер КПД экономики, т.е. отношение количества произведенной пользы (ценностей) к количеству использованных для этого веществ и энергии. Следовательно, рост экономики сопровождается и ростом его вредного действия – увеличением негативного техногенного давления на природу, окружающую среду, а через них – и на человека.
Способность всей системы к авторегуляции и стабилизации основана на объективных законах природы; она отвечает свойствам природных систем, обеспечивает их устойчивость. Но эта способность не устраивает человека, т.к. он не любит ограничивать себя. Он обрел небывалую для живых существ потребительскую мощь и привык «покорять природу», брать от нее все больше и больше, не считаясь с ее сопротивлением и ответными ударами. Поэтому сейчас вся система крайне неравновесна; но это временное состояние, оно не может продолжаться как угодно долго.
Сотни миллионов лет существовала устойчивая биосфера, и наши предки сравнительно недавно естественным путем вошли в ее сообщество. Два миллиона лет они жили в согласии с природой, потребляя только то, что им было выделено по естественному закону. Но постепенно они создали неустойчивую, быстро растущую техносферу. И только два столетия она наращивает конкуренцию с породившей ее природой, угнетая другие виды, захватывая чужие ресурсы, осуществляя глобальный экоцид, т.е. уничтожение экологических систем.
Видимо, в пределах такого же масштаба времени по закону обратной связи вся система экосферы должна стабилизироваться, стать равновесной – это неизбежно. Вопрос лишь в том, сохранится ли при этом вся система, подобная нынешней, или останутся только мертвые «памятники» техносферы и измененная биосфера – ограбленная и изуродованная человеком природа планеты, которой понадобятся миллионы лет, чтобы залечить раны, и которая уже никогда не станет прежней.
Социальная психология отвергает возможность гибели человечества. Но каким должно стать стабилизированное и уравновешенное сочетание биосферы и техносферы? Понимают ли люди, что стабилизация должна произойти за их счет? Ведь именно человек запустил бумеранг техногенеза и сейчас он находится под ударом этого бумеранга!
Вся система – и природа и человечество находятся сейчас в точке бифуркации, может быть самой драматичной в истории Земли – необходим выбор новой, разумной стратегии. Этот выбор становится важнейшей задачей человечества.
ГЕОСФЕРА -------- БИОСФЕРА-------- НООСФЕРА (ЭКОСФЕРА)
Экосфера характеризуется:
– огромным объемом минеральной породы литосферы, добытой и поднятой из недр на поверхность Земли;
– массовым использованием законсервированных миллионы лет назад в недрах горючих ископаемых;
– «металлизацией биосферы» в результате добычи из руд и широкого использования металлов и их соединений.
Лекция 3. Биота биосферы
План
1. Уровни организации живой материи. Основные свойства живых систем.
2. Структура и динамика численности популяции
3. Состав и функциональная структура экосистемы
4. Главные функции биосферы
5. Роль биты в регуляции окружающей среды
6. Основные этапы эволюции биосферы
^ 3.1. Уровни организации живой материи
Уровень организации живой материи – это функциональное место биологической структуры в общей иерархии живого.
1.Молекулярный. На этом уровне проявляются обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации.
2.Клеточный. Клетка – элементарная структурная и функциональная единица живого.
Разделяют неклеточные и клеточные формы. Неклеточные (доклеточные) – вирусы. Клеточные включают два надцарства: прокариоты (бактерии, архебактерии, цианобактерии или синезеленые водоросли) и эукариоты (ядерные) – животные, растения, грибы
3.Тканевый. Ткань – совокупность структурно сходных клеток, а также связанных с ними межклеточных веществ, объединенных выполнением определенных функций.
4.Органный. Орган – часть многоклеточного организма, выполняющего определенную функцию.
5.Организменный. Организм – реальный носитель жизни, характеризующийся всеми ее признаками.
6.Популяционно-видовой. Популяция – совокупность особей одного вида, образующих обособленную генетическую систему и населяющих пространство с относительно однородными условиями обитания. Вид – совокупность популяций, особи которых способны к скрещиванию с образованием плодовитого потомства и занимают определенную область географического пространства (ареал).
7.Биоценотический. Биоценоз – совокупность организмов разных видов различной сложности организации, обитающих на определенной территории. С абиотическими факторами среды – биогеоценоз.
8.Биосферный. Биосфера – оболочка Земли, структура и свойства которой в той или иной степени определяются настоящей или прошлой деятельностью живых организмов.
Следует отметить, что предсказать свойства каждого следующего свойства на основе свойств предыдущих уровней невозможно, также как нельзя предсказать свойства воды, исходя из свойств кислорода и водорода. Такое явление носит название эмерджентность, т.е наличие у системы особых, качественно новых свойств, не присущих сумме свойств ее отдельных компонентов.
^ 3.1. Основные свойства живых систем
Основные свойства живых систем – структурная организация, способность к самовоспроизведению и самосборке, обмен веществ и энергии, раздражимость, поддержание постоянства внутренней среды, способность к адаптации.
^ Живой может быть названа динамическая система, которая активно воспринимает и преобразует молекулярную и сигнальную информацию с целью самосохранения. Информация возникает в результате взаимодействия потока энергии с материализованной программой. Программы могут создавать только биологические системы.
Активное восприятие означает опережающее реагирование на внешнее воздействие и связанное с ним изменение системы. В биологии это называется раздражимостью.
^ Сохранительное реагирование – избегание неблагоприятного воздействия, оборонительная реакция, регенерация, самовоспроизведение. Для восприятия и преобразования сигналов, обеспечивающих реакции и самовоспроизведение системы, необходимы следующие условия:
1.Система должна иметь относительно устойчивую структурную организацию. Основа ее – строение биологических макромолекул, надмолекулярное устройство клеток и клеточное строение многоклеточных организмов.
2. Наличие запаса концентрированной энергии, которая используется для восприятия сигналов, реагирования на них и сохранения структуры. В живых системах эта энергия заключена в определенных химических связях органических молекул.
3. Для освобождения энергии в биосистеме и обращения ее в физиологическую работу нужны вещества, которые снижают потенциальные барьеры химических реакций (катализаторы), это – ферменты.
4. В структурах, выполняющих информационную функцию, закодированы программы считывания и реализации информации. Существует два рода таких программ: 1)программы воспроизведения (генетическая память), они закодированы в молекулярной структуре нуклеиновых кислот – ДНК и РНК; 2)программы оперативного реагирования – индивидуального поведения (сигнальная память), они записаны в системах рефлекторных структур.
5. Поскольку большинство сигналов в живой системе передается особыми молекулами, воспринимающими их клеточные структуры – рецепторы – обладают свойством молекулярного узнавания. На молекулярном узнавании основаны важнейшие биологические процессы: активность ферментов, репликация ДНК, биосинтез белка, самосборка надмолекулярных структур, реакция антиген – антитело, химическая рецепция (вкус, обоняние) и др.
6. В живой системе расходуется энергоносители и каркасные структуры, для их возобновления необходим приток веществ и энергии из окружающей среды – питание. В процессах метаболизма – обмена веществ и энергии внутри биосистемы объединены и уравновешены процессы анаболизма (ассимиляции, синтеза веществ) и катаболизма (диссимиляции, распада сложных соединений на простые с освобождением энергии.
7. Существование во времени живой системы ограничивает накопление необратимых структурных изменений. Поэтому клетка и организм стремятся к самовоспроизведению, не ожидая, пока возникнет угроза жизни. Наличие программы воспроизведения в виде ДНК и ее большая стабильность по сравнению с другими структурами биологической системы обуславливают свойство наследственности. Наследственность не абсолютна, она так же как живая система в целом, обладает изменчивостью под влиянием случайных изменений в генетическом аппарате – мутаций.
8. Наследуемые изменения и их отбор под действием факторов среды обуславливает генетические адаптации, видообразование и увеличение биологического разнообразия. Разнообразие видов обеспечивает сохранение жизни за счет форм, лучше приспособленных к новым условиям – биологическая эволюция.
Эти свойства лежат в основе единства и разнообразия живых систем. В живой природе бесконечное разнообразие возникает на основе сочетания структурных единиц. Только 6 химических элементов О,Н,С,N,S,Р – биогенных почти 99% состава органики всех живых существ – от вируса до человека. Их соединения образуют несколько десятков природных Мономеров – аминокислот, нуклеотидов, сахаров и других органических веществ, различные сочетания которых дают огромное число индивидуальных биополимеров. В настоящее время идентифицировано более 1,7 млн видов организмов, но фактическое число – в 3…5 раз больше. Число атомов во Вселенной имеет порядок 1080. Таким образом, реализована ничтожная часть возможных комбинаций. Каждый биологический вид, каждое живое существо уникально.