Основные экологические законы

Задачей экологии является поиск законов функционирования и развития этой отрасли объективной реальности. Исторически первым для экологии является закон, устанавливающий зависимость живых систем от факторов, которые ограничивают их развитие (так называемых лимитирующих факторов).

Закон минимума. В 1840 году Ю. Либих установил, что урожай зерна часто лимитируется не теми питательными веществами, которые требуются в больших количествах, а теми, которых нужно немного, однако их мало в почве. Он сформулировал закон, согласно которому "веществом, что есть в минимуме, регулируется урожай и определяется величина и устойчивость его во времени". Действие этого закона ограничивают два принципа. Согласно первому закон Либиха применяется только в условиях стационарного состояния. Его более точную формулировку: "При стационарном состоянии лимитирующим будет вещество, доступное количество которой наиболее близка к необходимому минимуму *". Второй принцип касается взаимодействия факторов. Высокая концентрация и доступность определенного вещества может изменить потребления минимальной питательного вещества. Организм тогда заменяет одну, дефицитную , вещество другой, что есть в избытке.

Другое толкование упомянутого закона: устойчивость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей.

Если количество и качество экологических факторов близкие к минимуму, необходимому для организма, он выживает, если меньше этого минимума, организм погибает, экосистема разрушается.

Следующий закон обобщает закон минимума.

Закон толерантности (закон Шелфорда): отсутствие или невозможность развития экосистемы определяется не только нехваткой, но и избытком любого из факторов (тепло, свет, вода и т.д.). Этот закон может быть выражен другими словами: лимитирующим фактором процветания организма может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет степень выносливости (толерантности) организма к данному фактору.

Согласно этому закону любой избыток вещества или энергии в экосистеме становится ее врагом, загрязнителем. Слишком много хорошего - тоже плохо. Диапазон между двумя величинами составляет пределы толерантности, в которых организм нормально функционирует и реагирует на воздействие среды.

Закон конкурентного исключения формулируется следующим образом: два вида, занимающие одну экологическую нишу, не могут сосуществовать в одном месте бесконечно долго. То, какой из видов побеждает, зависит от внешних условий. В этих условиях победить может каждый. Важной для победы обстоятельством является скорость роста популяции. Неспособность вида к биотической конкуренции приводит к его вытеснению и необходимости приспособления к более сложным условий и факторов.

Этот закон может работать и в человеческом обществе. Особенностью его действия является то, что в наше время цивилизации не могут разойтись. В биосфере нет места для расселения и нет избытка ресурсов, обостряет конкурентную борьбу. Можно говорить об экологическом соперничество между странами и даже об экологических войны или войны, обусловленные экологическими причинами. В свое время Гитлер оправдывал агрессивную политику нацистской Германии борьбой за жизненное пространство. Ресурсы нефти, угля и т.д. и тогда были очень важными. Еще больший вес они имеют в конце XX века, когда добавилась необходимость территории для захоронения радиоактивных и других отходов. Войны - горячие и холодные - приобретают экологического характера. Многие события, в том числе распада СССР, воспринимаются иначе, если на них взглянуть с экологических позиций. Здесь переплетаются политические, социальные и экологические проблемы.

Закон биогенной миграции атомов (закон В.И. Вернадского): миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется под преобладающим влиянием живого вещества, организмов.

Живое вещество или принимает участие в биохимических процессах непосредственно, или создает соответствующее, обогащенный кислородом, углекислым газом, водородом, азотом, фосфором и другими веществами, среду. Понимание всех химических процессов, происходящих в геосферах, невозможно без учета действия биогенных факторов, в частности - эволюционных. Люди влияют на состояние биосферы, меняют ее физический и химический состав, условия сбалансированной веками биогенной миграции атомов. В будущем это приведет к очень негативные изменения, которые уже сейчас приобретают способность к саморазвитию и становятся глобальными, неуправляемыми (опустынивание, деградация почв, вымирание видов организмов).

Закон внутреннего динамического равновесия: вещество, энергия, информация и динамические качества отдельных природных систем и их иерархии очень тесно связаны между собой, поэтому изменение одного из показателей неизбежно приводит к функционально-структурных изменений других, но при этом сохраняются общие качества системы -речовинно -энергетические, информационные и динамические.

Последствия действия этого закона проявляются в том, что после любых изменений элементов природной среды (вещественного состава, энергии, информации, скорости естественных процессов и т.п.) обязательно развиваются цепные реакции, которые пытаются нейтрализовать эти изменения. Даже незначительное изменение одного показателя может повлечь большие отклонения в других и во всей экосистеме.

Изменения в больших экосистемах могут иметь необратимый характер, а любые локальные преобразования природы вызывают в биосфере планеты реакции-ответы, которые обуславливают относительную неизменность эколого-экономического потенциала. Искусственный рост эколого-экономического потенциала ограниченное термодинамической устойчивостью природных систем. Закон гласит, что в случае незначительных вмешательств в естественную среду его экосистемы способны саморегулироваться и восстанавливаться, а когда эти вмешательства превышают определенные границы и уже не могут погаснуть в цепи иерархии экосистем, они приводят к значительным нарушениям энерго- и Биобаланс на значительных территориях и во всей биосфере.

Закон генетического разнообразия: все живое генетически разное и имеет тенденцию к увеличению биологической разнородности.

Закон имеет важное значение в природопользовании, особенно в сфере биотехнологии, когда не всегда можно предвидеть результат нововведений во время выращивания новых микро-культур через возникающие мутации или распространение действия новых биопрепаратов на виды организмов, на которые они рассчитывались.

Закон исторической необратимости: развитие биосферы и человечества как целого не может происходить от более поздних фаз к начальным, общий процесс развития одпонаправлений.

Закон константности (сформулированный В. Вернадским): количество живого вещества биосферы, созданной за определенный геологический время, является величиной постоянной.

Этот закон тесно связан с законом внутреннего динамического равновесия. По закону константности любое изменение количества живого вещества в одном из регионов биосферы неизбежно приводит к такой же по объему изменения вещества в другом регионе, только с обратным знаком. Следствием этого закона есть правило обязательного заполнения экологических ниш.

Закон корреляции (сформулированный Ж. Кювье): в организме как целостной системе все его части соответствуют друг другу как по строению, так и по функциям.

Изменение одной части неизбежно вызывает изменения в других.

Закон максимизации энергии (сформулированный Г. и Ю. Одум и дополнен М. Реймерсом): в конкуренции с другими системами сохраняется та из них, которая больше всего способствует поступлению энергии и информации и использует максимальную их количество эффективно.

Система образует накопители высококачественной энергии, часть которой тратит на обеспечение поступления новой энергии, обеспечивает нормальный круговорот веществ и создает механизмы регулирования, поддержки, стойкости системы, ее способности приспосабливаться к изменениям, налаживает обмен с другими системами. Максимизация обеспечивает повышение шансов на выживание.

Закон максимума биогенной энергии (закон Вернадского - Бауэра): любая биологическая и бионедосконала система, находящаяся в состоянии устойчивого неравновесия (динамичнорухливои равновесия с окружающей средой), увеличивает, развиваясь, свое влияние на среду.

В процессе эволюции видов выживают те, которые увеличивают биогенную геохимическую энергию. Живые системы никогда не находятся в состоянии равновесия и выполняют за счет своей свободной энергии полезную работу против равновесия, в которой нуждаются законы физики и химии при существующих внешних условий. Этот закон наряду с другими является основой разработки стратегии природопользования.

Закон ограниченности природных ресурсов: все природные ресурсы в условиях Земли исчерпывающие.

Планета является естественно ограниченным телом, и на ней не могут существовать бесконечные составные части.

Закон однонаправленности потока энергии: энергия, которую получает экосистема и которая усваивается продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой необратимо передается консументам первого, второго, третьего и других порядков, а потом, редуцентам, что сопровождается потерей определенного количества энергии на каждом трофическом уровне как следствие процессов, сопровождающих дыхание.

В обратный поток (от редуцентов к продуцентов) попадает очень мало начальной энергии (не более 0,25%), поэтому срок круговорот энергии достаточно условно.

Закон оптимальпости: никакая система не может сужаться или расширяться до бесконечности.

Никакой целостный организм не может превысить определенных критических размеров, которые обеспечивают поддержку его энергетики. Эти размеры зависят от условий питания и факторов существования. В природопользовании закон оптимальности помогает найти оптимальные, с точки зрения производительности, размеры для участков полей, выращиваемых животных, растений. Игнорирование закона - создание огромных площадей монокультур, выравнивание ландшафта массовыми застройками и т.п. - приводит к неестественному однообразия на больших территориях и вызывает нарушения в функционировании экосистем, приводит экологический кризис.

Закон пирамиды энергий (сформулированный Р. Линдеман): с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой переходит в среднем не более 10% энергии. Обратный поток с более высоких на более низкие уровни намного слабее - не более 0,5-0,25%, и поэтому говорить о круговороте энергии в биоценозе не приходится.

По этому закону можно выполнять расчеты земельных площадей, лесных угодий с целью обеспечения населения продовольствием и другими ресурсами.

Закон равнозначности условий жизни: все естественные условия среды, необходимые для жизни, играют равнозначные роли. Отсюда следует другой закон - совокупного действия экологических факторов.

Закон развития окружающей среды: любая естественная система развивается лишь за счет использования материальноенергетичних и информационных возможностей окружающей среды.

Абсолютно изолированное саморазвитие невозможно - это вывод из законов термодинамики.

Из этого закона вытекают следующие выводы:

- Абсолютно безотходное производство невозможно;

- Любая более высокоорганизованная биотическая система в своем развитии есть потенциальной угрозой для менее организованных систем. Поэтому в биосфере Земли невозможно повторное зарождение жизни - оно будет уничтожено существующими организмами;

- Биосфера Земли как система развивается за счет внутренних и космических ресурсов.

Закон уменьшения энергоотдаче в природопользовании: процесс получения из природных систем полезной продукции, со временем (в историческом аспекте) на ее изготовление в среднем расходуется все больше энергии (растут энергетические затраты на одного человека).

Рост энергетических затрат не может быть бесконечным. Его следует рассчитывать, гармонизируя отношения человека с природой.

Закон совокупного действия естественных факторов (закон Митчерлиха - Тинемана - баулы): объем урожая зависит не от отдельного, даже лимитирующего фактора, а от всей совокупности экологических факторов одновременно.

Долю каждого фактора в совокупном действии можно определить. Закон имеет силу, когда влияние монотонный и максимально проявляется каждый фактор при неизменности других в той совокупности, рассматривается.

Закон Ґрунтостомлення (снижение плодородия): постепенное снижение естественного плодородия почв происходит из-за длительного их использования и нарушения естественных процессов почвообразования, а также в результате длительного выращивания монокультур, в результате накопления токсичных веществ, выделяемых растениями, остатков пестицидов и минеральных удобрений.

Закон физико-химического единства живого вещества (сформулированный В. Вернадским): вся живое вещество Земли имеет единую физико-химическую природу.

Из этого следует, что вредное для одной части живого вещества вредит и другой ее части, только в разной степени.

Из-за наличия в любой популяции устойчивых к физико-химическому воздействию видов скорость отбора за выносливостью популяций к вредному агента прямо пропорциональна скорости размножения организмов и чередование поколений. В результате длительное использование пестицидов экологически недопустимым, потому что вредители, которые размножаются гораздо быстрее, приспосабливаются и выживают, а объемы химических загрязнений приходится все увеличивать.

Закон экологической корреляции: в экосистеме, как и в любой другой, все виды живого вещества и абиотические экологические компоненты функционально соответствуют друг другу, выпадение одной части системы неизбежно приводит к вы микання связанных с ней других частей экосистемы и функциональных изменений.

Известны также четыре закона экологии, американского ученого Б. Коммонера:

- Все связано со всем;

- Все должно куда-то деваться;

- Природа знает лучше;

- Ничто не дается даром.

Первый закон Б. Коммонера, по мнению М. Реймерса, близкий по смыслу к закону внутреннего динамического равновесия, второй - к этому же закону и закону развития природной системы за счет окружающей среды, третий - предостерегает человечество от самоуверенности, четвертый - снова касается проблем, обобщают закон внутреннего динамического равновесия, законы константности и развития естественной системы. Согласно четвертому закону Б. Коммонера мы должны возвращать природе то, что берем от нее, иначе катастрофа неизбежна.

В 1991-1993 гг. Известный американский эколог Д. Чирас пришел к выводу, что природа существует вечно (с точки зрения человека) и сопротивляется деградации благодаря действию четырех экологических законов:

- Рецикличности или повторного многоразового использования важнейших веществ;

- Постоянного обновления ресурсов;

- Консервативного потребления (когда живые существа потребляют лишь то и в том количестве, которое им необходимо, не больше и не меньше)

- Популяционного контроля (природа не допускает «взрывного» роста популяций, регулируя количественный состав того или иного вида путем создания соответствующих условий для его существования и размножения).

Важнейшей задачей экологии Д. Чирас считает изучение структуры и функций экосистем, их уравновешенности или неуравновешенности, то есть причин стабильности и разбалансировки экосистем.

Среди законов природы встречаются привычные в науке законы детерминистского типа, которые жестко регулируют взаимоотношения между компонентами экосистемы, но большинство являются законами тенденциями, которые действуют не во всех случаях. В некотором смысле они напоминают юридические законы, которые не препятствуют развитию общества, если изредка нарушаются незначительным количеством людей, но мешают нормальному развитию, если нарушения становятся массовыми. Есть и законы-афоризмы, которые можно отнести к типу законов как ограничение разнообразия.

Закон эмерджентности: целое всегда имеет особые свойства, отсутствующие у его частей.

Закон необходимого разнообразия: система не может состоять из абсолютно идентичных элементов, но может иметь иерархическую организацию и интегративные уровне *

Закон необратимости эволюции: организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему состоянию, реализованного его предками.

Закон усложнения организации: историческое развитие живых организмов приводит к усложнению их организации путем дифференциации органов и функций.

Биогенный закон (Э. Геккель) онтогенез организма является кратким повторением филогенеза данного вида, то есть развитие индивида сокращенно повторяет историческое развитие своего вида.

Закон неравномерности развития частей системы: система одного вида развивается не строго синхронно - в то время, когда один достигает более высокой стадии развития, другие остаются в менее развитом состоянии. Этот закон напрямую связан с законом необходимого разнообразия.

Закон сохранения жизни: жизнь может существовать только в процессе движения через живое тело потока веществ, энергии, информации.

Принцип сохранения упорядоченности (И. Пригожин): в открытых системах энтропия не растет, а уменьшается, пока не достигается минимальная постоянная величина.

Принцип Ле Шателье -Бpayна: при внешнем воздействии, что выводит систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении ослабления эффекта внешнего воздействия. Этот принцип в рамках биосферы нарушается современным человеком. "Если в конце прошлого века еще происходило увеличение биологической продуктивности и биомассы вследствие роста биологической продуктивности и биомассы как ответы на рост концентрации углекислого газа в атмосфере, то с начала нашего столетия это явление не наблюдается" (Н.Ф. Реймерс).

Принцип экономии энергии (Л. Онсагер): при вероятности развития процесса в некотором множестве направлений, допускаемых началами термодинамики, реализуется тот, который обеспечивает минимум рассеивания энергии.

Закон максимизации энергии и информации: лучшие шансы самосохранения имеет система, в наибольшей степени способствует поступлению, выработке и эффективному использованию энергии и информации; максимальное поступление вещества не гарантирует системе успеха в конкурентной борьбе.

Периодический закон географической зональности AA Григорьева - М.М. Будыко: с изменением физико-географических поясов Земли аналогичные ландшафтные зоны и некоторые общие свойства периодически повторяются, то есть в каждом поясе - субарктическом, умеренном, субтропическом, тропическом и экваториальном - происходит изменение зон по схеме: леса - степи - пустыни.

Закон развития системы за счет окружающей среды: любая система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды; абсолютно изолированное саморазвитие невозможно.

Правило затухания процессов: с ростом степени уравновешенности с окружающей средой или внутреннего гомеостаза (в случае изолированности системы) динамические процессы в системе затухают.

Закон физико-химического единства живого вещества В.И. Сен-Вернадского: все живое вещество Земли физико-химически едина, что не исключает биогеохимических различий.

Термодинамическое правило Вант-Гоффа - Аррениуса:

рост температуры на 10 ° С приводит к 2-3-крат-ного ускорения химических процессов. Отсюда следует опасность повышения температуры в результате хозяйственной деятельности человека.

Правило Шредингера "о питании" организма отрицательной энтропией: при упорядоченности организма лучше окружающую среду он отдает в эту среду больше неупорядоченности, чем получает. Это правило соглашается с принципом сохранения упорядоченности Прижогина.

Правило ускорения эволюции: с ростом сложности организации биосистем продолжительность существования вида в среднем сокращается, а темпы эволюции возрастают. Средняя продолжительность существования вида птиц - 2 млн лет, вида млекопитающих - 800 тыс * лет. Число вымерших видов птиц и млекопитающих по сравнению со всей их количеством велико.

Принцип генетической перед адаптации: способность к приспособлению у организмов заложена изначально и обусловлена практической неисчерпаемостью генетического кода. В генетическому разнообразию всегда находятся необходимые для адаптации варианты.

Правило происхождения новых видов от неспециализированных предков: новые крупные группы организмов берут начало не от специализированных представителей предков, а от их сравнительно неспециализированных групп.

Принцип дивергенции Ч. Дарвина: филогенез любой группы сопровождает ться разделением ее на ряд филогенетических ветвей, которые расходятся в разных адаптивных направлениях от среднего исходного состояния. .

Принцип прогрессирующей специализации группа, ступает на путь специализации, в дальнейшем развитии будет идти по пути все более глубокой специализации.

Правило более высоких шансов вымирания глубоко специализированных форм (А. Марш) .: быстрее вымирают более специализированные формы, генетические резервы которых для дальней той адаптации снижены.

Закон увеличения размеров (роста) и веса (массы) организмов в филогенетической ветви (В.И. Вернадский): в ходе геологического времени формы, выживают, увеличивают свои размеры (а следовательно - вес), а затем вымирают. Происходит это потому, что чем меньше особи, тем труднее им противостоять процессам энтропии (которые приводят к равномерному распределению энергии), организовывать энергетические потоки для осуществления жизненных функций. Итак, в процессе эволюции размер особей увеличивается.

Аксиома адаптированности Ч. Дарвина: каждый вид адаптирован к определенной, специфической для него, совокупности условий существования.

Экологическое правило С.С. Шварца: каждое изменение условий существования прямо или косвенно вызывает соответствующие изменения способов реализации энергетического баланса организма.

Закон независимости адаптации: высокая адап-ность к одному из экологических факторов не дает такой же степени приспособляемости к другим условиям жизни (наоборот, она может ограничивать эти возможности через физиолого-морфологические свойства организмов).

Закон единства "организм - среда: жизнь развивает ться в результате постоянного обмена веществом и информацией на базе потока энергии в совокупном единстве среды и организмов, его населяющих.

Правило соответствия условий среды генетической предопределенности организма: вид может существовать только тогда, когда окружающая среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к его колебаний и изменений.

Закон ограниченного роста (Ч. Дарвин): существуют ограничения, которые препятствуют тому, чтобы потомки одной пары особей, размножаясь в геометрической прогрессии, заполонили весь земной шар.

Принцип минимального размера популяций: существует минимальный размер популяции, ниже которого Те численность не может опускаться.

Правило А. Уоллеса: по мере продвижения с севера на юг видовое разнообразие растет. Причина заключается в том, что северные биоценозы исторически моложе и находятся в условиях меньшего поступления энергии от Солнца.

Закон обеднения живого вещества в его сгущения (Г.Ф. XИльми): индивидуальная система, которая работает в среде с уровнем организации более низким, чем уровень самой системы, обречена: постоянно теряя структуру, система через некоторое время растворяется в окружающей среде. Отсюда следует важный вывод для природоохранной деятельности: искусственное сохранение экосистем малого размера (на ограниченной территории, например, заповедника) приводит к их постепенной деструкции и не обеспечивает сохранения видов и сообществ.

Правило биологического усиления: при переходе на более высокий уровень экологической пирамиды накопления ряда веществ, в том числе токсичных и радиоактивных, возрастает примерно в той же пропорции.

Правило экологического дублирования: пропавший или уничтожен вид в рамках одного уровня экологической пирамиды заменяет другой, аналогичный по схеме: мелкий заменяет большого, ниже организованный - более высоко организованного, более генетически лабильный и Мутабельный - менее генетически изменчивого. Особи становятся мельче, но общее количество биомассы увеличивается.

Правило обязательности заполнения экологических ниш: пустая экологическая ниша всегда и обязательно заполняется.

Правило экотопов или краевого эффекта: на грани биоценозов увеличивается число видов и особей в них, поскольку растет число экологических ниш в результате возникновения на грани новых системных свойств.

Правило взаемопристосованости организмов в биоценозе К. Мебиуса - Г.Ф. Морозова: виды в биоценозе приспособлены друг к другу настолько, что их сообщество составляет внутренне противоречивое, но единое и взаимосвязанное целое.

Принцип формирования экосистемы: длительное существование организмов возможно лишь в рамках экологических систем, где их компоненты и элементы дополняют друг друга и взаимно приспособлены.

Закон сукцессионного замедление: процессы, происходящие в зрелых равновесных системах, которые находятся в устойчивом состоянии, имеют тенденцию к снижению темпов.

Правило максиму м энергии поддержания зрелой системы: сукцессия идет в направлении фундаментального смещение потока энергии в сторону увеличения ее количества с целью поддержки системы.

Правило константности числа видов в биосфере: число видов, появляющихся в среднем соответствует числу вымерших, и общее видовое разнообразие в биосфере является постоянной. Это правило касается сложившейся биосферы.

Правило множественности экосистем: множественность конкурентно-взаимодействующих экосистем является обязательным для поддержания надежности биосферы.

Вопрос о том, насколько законы экологии можно переносить на взаимоотношения человека с окружающей средой, остается открытым, поскольку человек отличается от всех других видов. Например, в большинстве видов скорость роста популяции уменьшается с ростом ее плотности; у человека, наоборот, рост численности населения в этом случае ускоряется. Таким образом, некоторые регулирующие механизмы природы отсутствуют у человека. И это может быть дополнительным основанием для технологического оптимизма, а для экологических пессимистов - свидетельством опасности такой катастрофы, которая невозможна ни для одного другого вида.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >