Законы Коммонера и живые системы

Экология как наука имеет четыре основополагающих принципа, выражающихся законами, сформулированными в 1966 г. американским экологом Б. Коммонером.

• Все связано со всем. Этот закон подразумевает, что нельзя изолированно воздействовать на какой-то один из компонентов окружающей среды. Воздействуя на один из компонентов, мы неизбежно подвергаем воздействию все остальные ее компоненты.

Энергия в разных формах связывает все организмы на Земле друг с другом и со средой обитания. Почти вся энергия, за счет которой существует все живое на Земле, поступает на Землю в виде солнечного излучения. Энергию солнечных лучей могут поглощать только растения. Все остальные организмы вынуждены использовать для получения энергии растительные ткани или ткани животных, питающихся растениями. Таким образом, возникают пищевые цепи и сети. Уничтожение связи между соседними звеньями цепи может привести к разрушению всей сети в целом. Словом, в природе все взаимосвязано. Этот закон основан на принципе детерминизма. Вред, наносимый одному компоненту экосистемы, может привести к неблагоприятным последствиям в масштабах всей экосистемы. Влияние на любую природную систему на Земле вызывает целый ряд эффектов, развитие которых трудно предвидеть.

Исторический экскурс В 1960;х гг. на островах Тихого океана стала развиваться туристская отрасль. При этом возникла проблема, связанная с обилием москитов в тропических регионах. Для уничтожения москитов был применен известный в те годы, а ныне запрещенный, пестицид под названием ДДТ. Применение пестицида позволило достичь поставленной цели, и популяция москитов существенно сократилась. Однако уже через полгода после применения пестицида на данных территориях была отмечена вспышка численности так называемых санитарных животных — мышей и крыс. Проведенное экологами исследование установило связь между применением ДДТ и массовым размножением грызунов. Оказалось, что применение ядохимиката оказало воздействие не только на москитов, но и на других представителей мира насекомых, которые не умерли, но существенно снизили подвижность. Этим фактом немедленно воспользовались ящерицы, для которых существенно упростилась задача поимки насекомых. Поскольку одна ящерица съедает значительное количество насекомых, то весь яд из съеденных жертв попадал в организм одной рептилии, что приводило к так называемому эффекту концентрации яда по пищевой цепи. Согласно этому правилу концентрация яда при передаче в пищевой цепи с одного трофического уровня на другой возрастает минимум в 10 раз. Это привело к снижению активности ящериц, и они стали легкой добычей для кошек, которые, находясь на следующем уровне пищевой цепи, получили смертельную дозу яда и погибли. В результате мышевидные грызуны оказались без давления со стороны хищников и начали стремительно размножаться. Решением проблемы стал завоз с материка кошек.

• Все должно куда-то деваться. Этот закон говорит о том, что, пока происходит добыча полезных ископаемых, будут неизбежно образовываться отходы, утилизация которых является одной из острейших проблем современного общества.

Наш мир представляет собой замкнутое пространство. Все, что берется от природы, ей же определенным способом возвращается вновь. Бытовые и производственные отходы, попадая в окружающую среду, не исчезают бесследно, а накапливаются, образуя масштабные свалки. В настоящее время в промышленной экологии разработано правило так называемого жизненного цикла вещей: давая согласие на выпуск какого-то продукта, общество должно ясно представлять, что будет с ним в дальнейшем, где закончится его существование и что придется делать с его «останками». Ответ всегда один и тот же: надо наладить производство таким образом, чтобы отходы и «останки» одного промышленного производства стали сырьем для другого.

Все, что производит промышленность и используют люди, делится на три части:

• 1) продукты долговременного пользования, например здания, дороги, мосты, линии связи и электропередач, холодильники, телевизоры, велосипеды, даже детские коляски;
• 2) все, что используется от года до 10 лет, например одежда, обувь, предметы домашнего обихода, а также станки и оборудование на заводах;
• 3) короткоживущие продукты, которыми пользуются в пределах одного года, начиная от пищи и заканчивая электрическими лампочками.

Иначе говоря, все, что называют продуктами, — это фактически те же отходы, но только не сегодняшнего, а завтрашнего дня. Отходы бывают твердые, газообразные и жидкие. Больше всего влияют на здоровье человека газообразные отходы, которые отравляют воздух и воду.

• Ничто не дается даром. Альтернативная формулировка: за все надо платить. Этот закон говорит о том, что любое изъятие природных ресурсов должно быть компенсировано.

Нельзя безвозмездно расходовать природные ресурсы. Все виды взаимодействия должны оцениваться экономически. Все, что извлекается из экосистем, должно обязательно компенсироваться. На протяжении всей истории человечества природа «мстила» людям за неправильное отношение к ней. Истощались запасы полезных ископаемых, сокращались леса, увеличивались пустыни. Трудно представить, что все населенные пункты и промышленные объекты занимают меньше 3% площади Земли. Однако промышленность стала изменять то, что изменять никак нельзя — потоки энергии, круговорот веществ, химический состав биосферы. Миллионы автомобилей отравляют воздух, атомная промышленность насыщает атмосферу экологически опасными, сделанными человеком радиоактивными веществами. Нельзя забывать и о загрязнении околоземного пространства космической промышленностью. Как проявят себя через тысячи и миллионы лет эти практически вечные вещества, предсказать невозможно.

Обязательным условием жизни на планете является поддержание равновесия между потребностями человека и возможностями природы. Каждая страна должна уделять этому большое внимание. Примером действия этого закона является деятельность сельского хозяйства: изымая урожай, мы вынуждены платить сельхозугодиям путем внесения удобрений.

• Природа знает лучше. Этот закон говорит о том, что если мы пытаемся «улучшить» природу, то нарушаем ход естественных процессов.

В большинстве случаев последствия преобразований делают среду обитания еще менее благоприятной для жизни. Даже техника, созданная людьми, не всегда подчиняется человеку. Природные же системы «сконструированы» по правилам, «цели» и «законы» которых не совпадают с нашими. Лес, поле, степь — все это сложные системы, живущие по собственным законам, и отменить их человеку не дано. Природные экологические системы (экосистемы) — это множество связей между разными видами жизни. Если в сети разорвать одну ниточку, то связи не нарушатся. Поэтому здоровые леса и луга почти никогда значительно не страдают от морозов и засух, вредителей и болезней. Надо находить способы хозяйствования и производства энергии, не нарушающие природные связи. Например, в настоящее время ветряные генераторы в Нидерландах и других странах вырабатывают электрическую энергию, не загрязняя природу.

Примером действия этого закона является осушение болот. В свое время считалось, что болота являются ненужным компонентом экосистемы, поэтому их активно осушали. По оказалось, что болота играют важную роль в поддержании водного баланса речных и озерных экосистем, выполняя роль аккумуляторов воды. Таким образом болота сглаживают сезонные максимумы и минимумы расходов воды в реках и уровней воды в озерах. Осушая болота, мы нарушаем водный баланс, что ведет к изменению гидрологического режима рек и озер, а также к сокращению численности многих биологических видов, для которых болота являются важной составляющей их экологической ниши.

С точки зрения современной физики живая материя, и в частности организм, трактуются как дискретная самовоспроизводящаяся открытая термодинамическая система, связанная с внешней средой обменом веществ, энергии и информации. Экология трактуется как наука об экосистемах и о биосфере. При этом биосфера и экосистемы понимаются, в том числе, и как физические объекты в рамках теории сложных систем^[1].

Для раскрытия смысла введенного определения необходимо напомнить ряд понятий термодинамики и теории систем. Это позволит ввести такие фундаментальные понятия экологии, как взаимодействие организма и среды, обмен веществом, энергией, информацией, метаболизм, гомеостаз, фотосинтез, дыхание, трофические отношения, адаптация организма, явления эволюции биосферы.

Под системой понимается объект, обладающий новым системным свойством, которым не обладает ни одна из частей объекта. В качестве сложных (больших) систем выступают системы, число подсистем которых достаточно велико и состав которых не однороден. Подсистемы внутри системы взаимодействуют, и это взаимодействие задается соответствующими отношениями. Сама подсистема, в свою очередь, может являться сложной системой другого уровня. Кроме того, сложная система взаимодействует с множеством внешних по отношению к ней объектов, которые называются окружающей средой системы. Если такое взаимодействие происходит, то такая система называется открытой. В противном случае она закрытая. Системы описываются упорядоченной совокупностью параметров, определяющих состояния системы и ход изменения состояний во времени. Предложенное определение системы является корректным как с физической, так и с биологической точек зрения^[2].

Такая трактовка понятия сложной системы адекватна концепции, развиваемой в биологии. Поэтому весьма естественным является появление в биологии терминов «биологическая система», «экосистема» и «биосфера».

Структурная тенденция описания форм живой природы сказывается на иерархии таких понятий, как «клетка», «орган», «организм», «особь», «популяция», «сообщество», «экосистема» и «биосфера». Глубину понятия сложной системы, иерархически устроенной, обладающей многообразными внутренними линейными и нелинейными связями, можно проиллюстрировать следующими примерами.

Так, особи, способные к половому размножению, образуют вид. Популяция — это совокупность особей одного вида, которые взаимодействуют между собой, с другими популяциями и с окружающей средой. Сообществом называется совокупность популяций организмов разного вида, которые взаимодействуют между собой и с окружающей средой. Экосистема — это совокупность сообществ, которые взаимодействуют между собой и интенсивно взаимодействуют с окружающей средой, оказывая серьезное воздействие на окружающую среду. В свою очередь, структура экосистемы в значительной степени определяется состоянием окружающей среды, которая описывается в рамках геофизических систем. Геофизические системы характеризуются как абиотические факторы и ресурсы окружающей среды.

Любой живой организм является очень сложным, тонко настроенным механизмом с позиций техники. Для жизнедеятельности лишь одной клетки человека необходимо согласованное протекание более 10 тыс. реакций. Клетки человеческого организма сложным образом дифференцированы, поэтому в разных клетках протекают как однотипные, так и различающиеся реакции и их сумма достигает многих сотен тысяч, что соответствует индустрии человечества в глобальном масштабе. Положим, один завод имеет 50 цехов, в каждом из которых реализовано 3—5 разных реакций. В итоге здесь имеют место максимум 250 реакций.

Из сказанного понятно, сколь бережным должно быть отношение человека и к самому себе, и к живым организмам других видов, ведь они являются базой его жизненных процессов.

Вопросы для самопроверки

• 1. Поясните своими словами определение жизни (биологическое).
• 2. Перечислите основные признаки живых организмов.
• 3. Какова связь между белком и полипептидом?
• 4. Поясните следующие термины: геном, генотип, генофонд.
• 5. Какова роль нуклеиновых кислот в живом организме?
• 6. Какова роль транскрипции и трансляции в передаче наследственной информации?
• 7. Какие функции выполняют белки в живом организме?
• 8. Каковы основные признаки живых организмов?
• 9. Сколько различают уровней организации живой материи?
• 10. Как классифицируют живые организмы?
• 11. Представители каких царств формируют микробоценоз, фитоценоз, зооценоз?
• 12. Что такое биоконверсионная энергия?
• 13. Как, на ваш взгляд, можно утилизировать энергию биоразложения органических остатков?
• 14. Как можно использовать мутации растений в интересах человека?
• 15. Что такое открытые системы? Каковы их особенности по сравнению с закрытыми?

• [1] Горохов В. Л., Кузнецов Л. М., Шмыков А. /О. Экология: учеб, пособие. М.; СПб.: ИД"Герда", 2005. С. 23.
• [2] Горохов В. JL, Кузнецов Л. М., Шлыков А. /О. Экология. С. 24.