Экологические законы

Научное обоснование пути к устойчивому развитию в решающей степени зависит от способности людей учитывать в своей деятельности законы природы. Известно много законов, которые определяют ход физических, химических или биологических процессов. О существовании общих законов природы, согласно которым происходят глобальные и локальные комплексные процессы в биосфере и которыми описывается поведение биосферы, общепризнанной мнения нет. В литературе по этому поводу случаются диаметрально противоположные мнения - от категорического отрицания существования таких законов к описанию около сотни экологических законов.

Греческий философ Демокрит (460-370 pp. До н.э.) считал, что "ничто не происходит случайно, все происходит по какой-то причине и необходимости". Аристотель (384-322 pp. До н.э.) указывал на наличие в природе какой направленности в будущее, потому что хаотическое движение материи превращается в направленную эволюцию от простого к сложному. Китайский философ Чжан Цзай (1020-1078) придерживался мнения, что движение в природе имеет не хаотичный характер, а определяется законами, не зависящие от воли людей.

В более поздние времена Ш. Монтескье (1689-1755 pp., Франция) развивал идею общей закономерности, которой подчинены явления природы и человечества. М.В. Ломоносов (1711-1765 pp.) Пытался постичь "общее согласие причин" - единство законов природы. Такого же взгляда придерживались Т. Грабовский (1813-1855), М. Черны сапожный (1828-1889), М. Серно-Соловьевич (1834-1866). А их современник - английский философ Г. Спенсер (1820-1903) - твердил о "непознаваемости", а именно - о несостоятельности науки проникнуть в сущность вещей и выявлять закономерности.

Выдающийся натуралист и мыслитель Ж.Б. Ламарк (1744-1829 pp.) Писал: "Природа - это слово, которое так часто используется в том смысле, что речь идет об особом творения, - должна представляться как совокупность предметов, охватывающих: 1) все существующие физические тела 2) общие и частные законы, которые управляют изменениями состояния этих тел, 3) движение этих тел, который существует в разных формах и из которого вытекает странный порядок вещей, который эта совокупность предметов перед нами раскрывает ".

На рубеже XIX и XX веков Э. Геккель попытался на базе теории эволюции дать общие объяснения природных и социальных явлений. А Роберт Бойль в те времена отрицал наличие законов, считая, что событие происходит не благодаря им, а только в результате предыдущих событий.

Большой реорганизатор естествознания А. Эйнштейн показал глубокую взаимосвязь между пространством, временем и движением материи.

Представители "брюссельской школы", организованной Нобелевским лауреатом И.Р. Пригожиным, придерживаются мнения, что "универсальные законы" действуют только в локальных областях реальности. Случайность и необходимость выступают не как противоположности - в судьбе системы случайность и необходимость играют важную роль, дополняя друг друга. Случайность имеет значение в самой точке бифуркации или в ее окрестностях, а в детерминированных процессах между бифуркации - необходимость.

Большое внимание закономерностям уделял выдающийся эколог современности М. Моисеев. Он уверен в наличии общих законов для процессов, происходящих в косном материи, в живом веществе, в человеческом обществе. В частности, это зависимость современного и будущего от прошлого; неопределенность мира; наличие бифуркационных механизмов, которые кардинально перестраивают эволюционный процесс с непредсказуемыми последствиями; непрерывный рост многообразия возможных форм организации и ее сложности, несмотря на существование и противоположных тенденций; принципы отбора существуют как объективно, так и субъективно в виде свободы выбора.

В массовой прессе широкое распространение получили "экологические законы Б. Коммонера": все связано со всем; все должно куда-то деваться; природа "знает" лучше; ничто не проходит зря (за все надо платить).

Здесь верно воспроизведено "дух" экологии, что важно в процессе экологического воспитания, но мало дает для науки и практики.

Известный эколог Н. Реймерс предлагает экологические законы разделить на законы для больших систем (10 законов), и законы аутэкология и популяционной экологии, куда вошли законы классической биологии. В широко распространенном учебнике популярных украинских авторов (Г. Белявский, М. Падун, Р. Фурдуй) рассматривается более двадцати законов экологии.

Обобщая отмеченные и другие данные с учетом сферы действия экологии как науки рассмотрим как основные такие экологические законы:

Закон Геи: Планета Земля - это динамическая гиперскладна саморегулирующаяся система, все составляющие которой постоянно взаимосвязано изменяются в сторону совершенствования.

Ранее было рассмотрено, как в течение почти пяти миллиардов лет менялась неживая (КОСНА) природа планеты и как пи изменения влияют на эволюцию биосферы. И как, наоборот, биосфера влияет на состояние атмосферы, гидросферы, литосферы. Указанные изменения происходят настолько медленно, что можно увидеть только в историческом (геологическом) времени. Человеческого возраст эти изменения несущественны, и нам представляется, что мы живем на окончательно сложившейся планете.

Странным и пока необъяснимым явлением является саморегулирования этого эволюционного процесса. Это саморегулирования проявляется многими явлениями. Например, развитие гидросферы постоянно шел в направлении создания условий, наиболее благоприятных для жизни. Это происходило при самом активном участии самой живого вещества.

Энергетическое саморегулирования происходит благодаря фотосинтезу, который вопреки всем природным и искусственным процессам использования вы-сокопотенцийнои энергии с переводом в низкопотенциального производит сложные, богатые высокопотенциальный энергией органические вещества.

Авторы "Гея-гипотезы" английский химик Д. Лавлок и американский биолог Л. Маргулис считают, что поддержание постоянного (оптимального с точки зрения безопасности жизни) уровня кислорода в атмосфере является следствием кибернетической взаимодействия между живым (анаэробная микрофлора, которая производит метан) и косного (окисление метана влияет на количество кислорода в атмосфере).

В.Г. Горшков предложил концепцию биологической регуляции окружающей среды, основой которой является следующее. С момента возникновения биота не только адаптировалась к окружающей среде, но и мощно влияла на него. Под действием биоты формировалось регулируемое окружающую среду с одновременным развитием соответствующего регулирующего механизма самой биоты. Поэтому современная биота имеет соответствующую внутреннюю структуру, которая характеризуется распределением общей биомассы, потоками энергии и биогенов по группам организмов. Свойства этих характеристик В.Г. Горшков назвал законами надежности (устойчивости) биосферы. Одним из условий надежности является биологическое разнообразие.

Закон окружающей среды: Все тесно связано, и изменения в одном влияют на другое (то есть "все связано со всем"). Всякое действие, всякий процесс, которые происходят в определенном месте и в определенное время, изменяя состояние локальной системы, вызывают цепь реакций системы как через внутренние, так и через внешние связи. "Автор" действия наблюдает реакцию локальной системы только через внутренние связи. Он может и не догадываться, что его действие через внешние связи перешла в системы высшего уровня и вызвала там соответствующие реакции - непредвиденные по времени, месту и силой.

Небольшое колебание почвы от взрыва или землетрясения может разрушить в другом месте гору или сооружение в результате резонанса в случае со-падения частот колебаний.

Когда инженеры вместе с химиками для повышения экономичности двигателя внутреннего сгорания начали добавлять в бензин антидетонационную присадку на свинцовой основе, они не знали, что через много десятков лет человечество будет искать средства защитить себя от вредного воздействия свинца, который сегодня присутствует везде - в воде, растениях , животных, почве.

Закон константности (сохранение): Ничто не исчезает, а лишь меняет вид ("все должно куда-то деваться»). "Из ничего даже волей богов ничего не создастся" (Лукреций).

Широко известные физические законы сохранения энергии и массы являются частными случаями закона константности.

Наиболее яркими проявлениями закона являются природные круговороты энергии, вещества и химических элементов. Это доказательство единства материального мира, связей между живой и косной веществом.

Закон константности широко используется в человеческой практике в виде методов расчета материального и энергетического балансов.

Энергия является характеристикой интенсивности движения и взаимодействия всех форм материи. Она бывает механической (кинетическая, потенциальная), химической, тепловой, электрической и др.

Для биологического объекта или технической сооружения закон константности запишется так:

где Е количество энергии, полученной снаружи или произведенной в себе в результате реакций; ΔU- изменение внутренней энергии объекта (сооружения); А - работа, выполненная объектом (сооружением).

Закон экстремума (оптимальности, оптимума): Никакая система, или фактор системы, не может превышать или быть меньше критические величины.

Очевидно рациональное соотношение формы и размеров биологической особи с ее массой, которые сложились в результате многовековой эволюции в определенных условиях окружающей среды. Всякое значительное отклонение какого показателя в сторону превышения или уменьшения от нормального вследствие каких причин (мутация, селекция) смертельное.

Такой же результат наблюдается в случае нарушения оптимального количества в популяции.

Фатальным для живого является отклонение от определенных диапазонов таких факторов, как температура, давление и прочее.

Не смертельным, но сильно влиятельным на эффективность системы управления является нарушение оптимального количества подчиненных у руководителя или количества подразделений.

Экономически убыточным и экологически опасным оказалось сооружение гигантских искусственных технических систем - гидроэнергетических комплексов, централизованных систем энергообеспечения и другое.

Закон Вернадского: Миграция химических элементов на Земле осуществляется главным образом под влиянием живого вещества.

Несмотря на постоянную миграцию химических элементов в результате естественного движения гидросферы, литосферы и атмосферы, которые перемещают огромные массы веществ, главной движущей силой является живет. Если реки выносят за год в моря и океаны 2 * 10 10 тонн твердого вещества, то биомасса, которая перемещается сама и постоянно обновляется, составляет 10 двадцать-пять тонн.

Влияние живого вещества на миграцию химических элементов не ограничивается круговоротом биомассы. Часто растения и животные меняют процессы разрушения поверхности литосферы (выветривание, эрозия, разлив и прочее).

Закон экологической пирамиды: Полное использование или преобразования вещества, энергии или информации в системе без потерь невозможно.

Этот закон широко известен у биологов как правило трофической (пищевой) пирамиды, а у инженеров - как второй закон термодинамики.

Для поддержания жизни нужны энергия и питательное вещество. их первоисточником является Солнце, энергия которого позволяет продуцента (растениям и простейшим) из углекислого газа и воды строить биомолекулы собственного тела (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты) по уравнению (7).

Для образования одного молю глюкозы, а это 180 г, необходимо 264 г углекислого газа, 108 г воды и 6,7 * 10 +4 калории энергии. Так образуется первая ступень (уровень) пирамиды - ее фундамент, представленный автотрофным организмами (растениями) - продуцентами.

Второй уровень трофической пирамиды занимают растительноядные гетеротрофные организмы - животные (консументы-1), третий - хищники (консументы-2) и так далее, вплоть до редуцентов (микроорганизмов), которые превращают органическое вещество в минеральную, замыкая круговорот.

На каждом уровне пирамиды питания поглощена пища, то есть вещество и энергия, усваивается не полностью, а согласно уравнению:

где Р - поглощенная пища; С - увеличение массы (энергии) консумента; Д - затраты энергии на «дыхание», то есть на поддержку процессов в клетках и органах; В - выделение неиспользованной пищи в виде экскрементов.

Отношение

называют коэффициентом использования пищи, или (по аналогии с искусственными системами) коэффициентом полезного действия. Эта величина мала, поскольку затраты на «дыхание» гораздо больше, чем величина 3.

В качестве примера в табл. 6.2 приведены данные, характеризующие триланцюгову трофическую пирамиду.

Таблица 6.2 Экологическая пирамида

В целом по биосфере считается, что экосистемы суши стабильные при таком соотношении использования растительной продукции: 0,90 - бактерии, грибы; у 0,10 - черви, моллюски, членистоногие; у 0,01 -хребетни животного.

Искусственные человеческие творения (машины, механизмы, аппараты), как правило, имеют лучшую энергетическую эффективность, чем природные; их КПД 30..95%. Но в искусственных системах, характеризующиеся большим количеством ступеней пирамиды, коэффициент использования природного ресурса (Квпр) тоже будет небольшим.

Закон многообразия и конкуренции: Наиболее известным законом биологии является положение учения Ч. Дарвина. Еще в древние времена греческие философы указывали на наличие в живой природе таких явлений, как отбор (Эмпидокл) и борьба за существование (Лукреций). Ч. Дарвину удалось обобщить материалы многовековых наблюдений большого количества ученых и научно обосновать теорию эволюции органического мира. В соответствии с учением Дарвина основными факторами эволюции является наследственная изменчивость, борьба за существование и естественный отбор.

Современные формы растений и животных берут начало от первоначальных простых организмов, постепенно претерпевали изменения, которые передавались из поколения в поколение. В борьбе за существование в природных условиях выживают наиболее приспособленные. Естественным отбором сохраняются любые жизненно важные признаки, которые действуют в интересах организма и вида, в результате чего образуются новые формы и виды. Обязательным условием отбора вследствие конкурентной борьбы является наличие многообразия видов и организмов.

Значение конкуренции для развития анализировалось и в социальных науках. Определяя решающую роль техники в развитии человечества, К. Маркс писал: "... на место старых машин, инструментов, аппаратов должны приходить новые - более эффективные и сравнительно с размерами своей работы более дешевые". Соревнования между собой различных форм собственности, методов управления предприятиями, государствами, социальными образованиями и т.д., политических программ и других человеческих институтов обеспечивают эволюцию Homo Sapiens.

В общем виде закон многообразия и конкуренции изложены так: прогресс (совершенствование) возможен только в результате соревнования различных форм организации; в конкуренции побеждает та система, которая больше накапливает и эффективно использует вещество, энергию и информацию.

Закон эффективности использования: В конкуренции побеждает та система, которая больше накапливает и эффективно использует материю, энергию и информацию.

Закон настолько очевиден как для естественных, так и искусственных систем, не требует пояснений. Можно лишь обратить внимание на то, что, как следует из предыдущих законов, уменьшение количества уровней пирамиды и повышение КПД являются эффективными средствами повышения конкурентоспособности системы.

Закон эволюционно-бифуркационного развития: эволюционный процесс развития системы ограничено критическими параметрами, которые соответствуют состоянию бифуркации (неопределенности) дальнейший процесс развития непредсказуем.

Н.Н. Моисеев, ссылаясь на Лоренца (США), описал явление "странного аттрактора" - когда дальнейшее развитие какого-то процесса практически перестает определяться прошлым состоянием, когда небольшое отклонение от имеющегося может иметь какие угодно значительные последствия.

Ветка сгибается и возвращается в прежнее состояние под воздействием различных сил в какого-то предела. Если сила перейдет эту грань - ветвь сломается, но где и как - предсказать невозможно.

Анализируя развитие биосферы, некоторые ученые утверждают, что новые организмы возникают не вследствие эволюционного отбора, а в результате сиюминутных скачкообразно изменений. Большое значение в этом процессе играет такое явление, как мутация.

Напряжений общественное положение государству удается компенсировать различными мерами до определенного предела. При переходе границы происходит бунт (революция, контрреволюция), последствия которого предсказать невозможно: кто придет к власти и каким будет государство - неизвестно.

Каждый новое направление НТП, в конце концов, исчерпывает свои возможности и сменяется другим. Например, в энергетике паровая машина, несмотря на значительное улучшение показателей по вековую историю существования, в середине XX в. была заменена турбинами и ДВС. Сейчас совершенствования идет путем создания комбинированных установок. О следующем шаге в энергетике сегодня можно только полемизировать.

На рис. 6.3 приведена иллюстрация закона.

Эволюционно-бифуркационные закономерности

Рис. 6.3. Эволюционно-бифуркационные закономерности

Эволюционные зависимости у = f (x) в диапазоне 0 - Ха в естественном и искусственном среде имеют разнообразный характер. Для примера на рис 6.3 рассмотрены два варианта: 1 - прямолинейная зависимость, характерная для физических и химических процессов (увеличение напряжения вследствие роста силы, влияние скорости движения воды на сток воды и т.п.), и 2 - логистическое уравнение, согласно которому увеличивается численность особей популяции или вида, эффективность научно-технических решений и тому подобное.

При превышении критического значения Ха закономерность резко меняется и процесс может пойти любым путем. В частности, для биологических группировок численность особей может резко уменьшиться (линия 3), принять регулировано колебательный характер (кривая 4), повторить логистическую фазу на более высоком уровне (линия 5). Последнее возможно в случае получения населением дополнительных свойств или замены ее более приспособленной к условиям популяцией.

Закон эмерджентности. Свойства целого (системы) невозможно свести к сумме свойств его частей. В более крупных единиц (систем) возникают новые (эмерджентные) свойства, которых не было на прежнем уровне в подсистеме. Целое характеризуется совокупным и эмерджентными свойствами. Например, стая волков нет, кроме таких свойств волка, как скорость, выносливость, сила и т.п., дополнительную способность коллективной охоты, которая проявляется в окружении жертвы или отряде ее в подготовленную ловушку.

Действие этого закона в значительной мере проявляется в искусственных технических системах, где количество эмерджентных свойств, как правило, превышает количество совокупных свойств. Например, для автомобиля в совокупных относятся масса и стоимость (цена). Большинство свойств автомобиля - скорость, экономичность, грузоподъемность, надежность и т.п. - эмерджентными.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >