logo
1

2.2. Основные законы и правила экологии.

Цель занятия. Изучить законы, правила экологии и их роль в организации природоохранной деятельности.

Несмотря на многообразие экологических факторов и различную природу их происхождения, существуют некоторые общие правила и закономерности их воздействия на живые организмы.

По мере роста населения и интенсивности его хозяйственной деятельности происходит и возрастание антропогенной нагрузки на природную среду. Возникает вопрос о пределах противостояния природной среды этим нагрузкам и способах формирования отношений между обществом и природой, позволяющих не преступать этот предел в ходе хозяйственной деятельности. Главным условием в этом направлении является постижение и соблюдение основных экологических законов, в частности:

Закон внутреннего динамического равновесия, суть которого состоит в наличии ответных реакций отдельных или взаимосвязанных природных систем и их иерархий при воздействии на них вещества, энергии или информации. Любое изменение среды неизбежно приводит к развитию природных цепных реакций, идущих в сторону нейтрализации произведенного изменения или формирования новых природных систем, образование которых при значительных изменениях среды может принять необратимый характер. Даже слабые изменения одного из показателей системы могут вызвать сильные изменения в других, а также во всей системы в целом. Производимые в крупных экосистемах перемены относительно необратимы. Переходя по иерархии снизу вверх – от места воздействия до биосферы в целом – они меняют глобальные процессы и тем самым переводят их на новый эволюционный уровень. При достижении существенных значений перемен в природной среде, соответствующих понятию «критические», происходят существенные сдвиги в природных системах и в соответствии с законом внутреннего динамического равновесия во всей биосфере.

Закон минимума (Закон Либиха).

Для жизни организмов необходимо определенное сочетание условий. Если все условия среды обитания благоприятны для развития организма или популяции такое сочетание условий существования называется экологическим оптимумом. Однако такое сочетание условий в природе наблюдается редко, хотя потенциально сочетание экологических факторов неограниченно. В естественных условиях некоторые факторы являются определяющими. Так наличие пищи, воды и тепла на 80 % определяют состояние популяции, а дополнительное наличие жилья (убежища), врагов и конкурентов - на 90 %. В совокупности условий существования почти всегда можно выделить фактор отсутствие или недостаток которого может ограничить жизнедеятельность организмов, даже если все остальные факторы находятся в условиях оптимальности. Этот фактор ограничивающий (лимитирующий) развитие организма называется лимитирующим фактором.

В середине XIX века немецкий химик органик Юстас Либих первым экспериментально установил, что рост растений зависит от того элемента питания, который присутствует в относительно минимальном количестве. Он доказал, что урожай растений можно эффективно повысить, увеличив в почве содержание минимального фактора, например, количество азота или фосфора.

Это явление он назвал законом минимума. В честь автора его называют законом Либих: Веществом, присутствующим в минимуме управляется урожай, его величина и стабильность во времени.

В современной формулировке закон минимума звучит так: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей.

Закон толерантности (Правило В. Шелфорда).

Позже выяснилось, что лимитирующим может быть не только недостаток, но и избыток фактора, например, гибель урожая из-за дождей, перенасыщения почвы удобрениями и т.п. Понятие о том, что наравне с минимальным лимитирующим фактором может быть и максимум, ввел спустя 70 лет после Ю. Либиха американский зоолог В. Шелфорд, сформулировавший закон толерантности (от латинского tolerantia – терпение). Любой живой организм имеет определенные генетически унаследованные верхний и нижний приделы устойчивости (толерантности) к любому зкологическому фактору. ( Лимитирующим фактором процветания популяции (организма) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, а диапазон между ними определяет величину выносливости (предел толерантности) или экологическую валентность организма к данному фактору.

Согласно этому закону благополучие популяции или вида организмов зависит от комплекса экологических факторов, для каждого из которых существует определенный диапазон выносливости, или толерантности организма. Благоприятный диапазон действия экологического фактора называется зоной оптимума (нормальной жизнедеятельности). Чем значительнее отличие действия фактора от оптимума, тем больше данный фактор угнетает жизнедеятельность популяции. Этот диапазон называется зоной угнетения. Максимально и минимально переносимые значения фактора – это критические точки, за пределами которых существование организма или популяции невозможно.

Согласно Одуму (1986) из закона толерантности следуют несколько выводов:

Учитывая, что благополучие популяции (организмы одного вида) в определенной степени зависит от комплекса экологических факторов, для каждого из которых существует определенный диапазон выносливости (толерантность) организма, его выживание возможно только при совмещении зон оптимума этих факторов. Совмещение зон толерантности, образующее экологическое пространство существования популяции или вида, называется его экологической нишей.

По отношению к способности переносить неблагоприятные факторы среды все организмы делятся на организмы: стенобионтные, эвриобионтные.

Стенобионтные (от лат. stenos – узкий) организмы имеют узкий диапазон устойчивости (к какому-либо фактору), и для их жизни необходимы строго определенные экологические условия. Эвриобионтные (от лат. eyros – широкий) - имеют широкий диапазон устойчивости, и они могут приспосабливаться к экологической обстановке с широкими изменениями параметров.

Например, песцы в тундре могут переносить колебания температуры в воздухе в диапазоне около 80С (от +30 до 55С), тогда как тепловодные рачки Copilia mirabilis выдерживают изменения температуры воды в интервале не более 6С (от +23 до +29С).

Эвриобионтность обычно способствует широкому распространению видов (простейшие, грибы). Стенобионтность обычно ограничивает ареалы.

По устойчивости к конкретным факторам среди стенобионтных и эвриобионтных организмов выделяют: эвритемные и стенотермные (по устойчивости и неустойчивости к колебаниям температуры); эвригалинные и стеногалинные (по отношению к колебаниям солености воды) и др.

Виды организмов могут отличаться и местоположением оптимума на шкале количественных изменений фактора. Виды, приспособленные к высоким дозам фактора, терминологически обозначаются окончанием “фил” (от греч. phyleo – люблю): термофилы (теплолюбивые виды); гигрофилы (обитатели мест с высокой влажностью) и т.д. Виды, обитающие в противоположных условиях, обозначаются термином с окончанием “фоб” (от греч. phobos – страх): галлофобы - обитатели пресных водоемов, не переносящие осолонения и т.д.

Закон максимизации энергии – выживание или сохранение одной системы в соперничестве с другими определяется наилучшей организацией поступления в нее энергии и использование ее максимального количества наиболее эффективным способом. Для реализации закона максимизации энергии необходимо соблюдение следующих положений: обязательное создание накопителей высококачественной энергии; использование накопленной энергии на обеспечение поступления новой энергии; обеспечение кругооборота веществ; создание механизмов регулирования, поддерживающих устойчивость систем и ее способности приспособления с изменяющимся условиям; налаживание обмена энергией с другими системами для обеспечения в потребности энергией других видов. Закон максимизации энергии справедлив и в отношении информации, наилучшими шансами на самосохранение обладает система, которая в наибольшей степени способна получать, вырабатывать и эффективно использовать энергию и информацию.

Закон ограниченности природных ресурсов, правило одного процента – все природные ресурсы Земли являются конечными, поэтому говорить о наличии «неисчерпаемых» природных ресурсов, по меньшей мере, некорректно. Антропогенные изменения в биосфере сверх допустимого предела по правилу 1% выводит ее из равновесного состояния. Это правило основывается на том, что все крупномасштабные изменения на поверхности Земли (мощные циклоны, извержения вулканов, процесс глобального фотосинтеза), как правило, имеют суммарную энергию, не превышающую 1% от энергии солнечного изучения, падающего на поверхность нашей планеты. Искусственное внесение энергии в биосферу не должно превышать этого предела.

Закон пирамиды энергий, правило десяти процентов в соответствии с правилом экологической пирамиды каждый последующий трофический уровень ассимилирует не более 10% энергии предыдущего. Этот закон позволяет делать расчеты необходимой земельной площади для обеспечения населения продовольствием и другие эколого-экономические расчеты.. Закон пирамиды энергий и правило 10% служат общим ограничением для практических целей в хозяйственной деятельности человека и природопользования.

Правило обязательности заполнения экологических ниш – пустующая экологическая ниша всегда бывает естественно заполнена. При заполнении ниши исчезнувший или уничтоженный вид заменяется функционально близким, но менее специализированным и замена происходит от более крупных по размерам и высокоорганизованных форм к менее крупным и организованным.

Правило целесообразного преобразования природы или Правило «мягкого управления природой» заключается в восстанавливающем экологический баланс управлении природными ресурсами, в организации желательных природных цепных реакций.

Правило двух уровней адаптации. Любая биологическая система, в том числе организм, обитает в сложных и изменчивых условиях среды, с которой поддерживает непрерывные и жизненно важные взаимосвязи, основанные на обменных процессах. Устойчивость организменной системы, ее относительная самостоятельность, так же как и осуществление повседневных функций, зависят от того, насколько структура и физиологические свойства организма сохраняют свои главные особенности на фоне меняющихся внешних условий.

Способность организма поддерживать физиологические функции на свойственном им уровне при изменении среды обитания называется адаптацией. Адаптация основана на защитно-приспособительных реакциях организма и представляет собой сложное универсальное явление, происходящее на клеточном, органном, системном и организменном уровне и регулируется рефлекторным и гуморальным путем.

Биологический смысл адаптации состоит в установлении и поддержании гомеостаза. Гомеостаз – это относительное динамическое постоянство внутренней среды организма (терморегуляция, кровообращение, газообмен и др.), поддерживаемое механизмами саморегуляции в условиях колебания внутренних и внешних раздражителей (факторов).

Процесс саморегуляции организма является циклическим и осуществляется на основе «золотого правила» - всякое отклонение от жизненно важного уровня какого-либо фактора служит толчком к немедленной мобилизации многочисленных процессов в соответствующей функциональной системе, вновь восстанавливающих этот жизненно важный уровень.

Поскольку в организме человека существует множество полезных приспособительных процессов, обеспечивающих различные стороны его жизнедеятельности, работа целого организма строится из совокупной деятельности многих функциональных систем.

По экологическому значению адаптивные механизмы можно разделить на две группы:

Например, при острой гипоксии(кислородное голодание) приспособлением газообменной функции организмов являются такие реакции, как учащенное дыхание и сердцебиение, выброс в кровь эритроцитов и т. п. Это лабильный функциональный ответ на возрастание кислородного дефицита. Для видов, длительно приспособленных к обитанию в условиях дефицита кислорода, характерна перестройка фундаментальных свойств газообменной функциональной системы в виде перестройки тканевых дыхательных ферментов, уровней эритропоэза и т.п.

Правило соответствия условий среды генетической предопределенности организма. Вид организмов может существовать до тех пор и постольку, поскольку окружающая его природная среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям.

Законы экологии Коммонера.

В 1974 г. американский эколог Б. Комптон сформулировал несколько экологических аксиом в виде поговорок. Они были названы автором «законами экологии»: (все связано со всем; все должно куда-то деваться; природа «знает» лучше; ничто не дается даром).

Первый закон говорит о взаимосвязи процессов и явлений в природе. Он близок по смыслу к закону внутреннего динамического равновесия: изменение одного из показателей системы вызывает функционально-структурные количественные и качественные перемены других показателей, ведущих к нейтрализации возмущения, при этом сама система сохраняет общую сумму вещественно-энергетических качеств. Если первоначальное возмущение чрезвычайно велико и система не может его компенсировать, то это может привести к еще большей деформации системы.

Второй закон. В отличие от человеческого производства, в природе не бывает отходов. Все опавшие листья, погибшие животные и т.д. становятся пищей для других организмов (насекомых, грибов, бактерий) и включаются ими в кругооборот веществ. При этом в природе всегда соблюдается количественный баланс масс, равенство скоростей синтеза и распада.

Третий закон призывает к предельной осторожности. На протяжении миллиардов лет методом проб и ошибок в ходе жестокой конкуренции сформировалась та окружающая среда, в условиях которой мы сегодня живем. Все в природе должно было пройти отбор, начиная от простых молекул до высших животных и человека. Сегодня планету населяет лишь одна тысячная часть испытанных эволюцией видов растений и животных. Поэтому, пытаясь изменить природу, человек должен помнить, что каждое отобранное природой живое существо уникально и на его эволюцию понадобилось время не сопоставимо большее, чем вся история жизни человечества, что, пытаясь улучшить природу, очень легко ошибиться. Люди должны воздействовать на природу с предельной осторожностью, т.к. мы не можем предвидеть все последствия нашего влияния на нее, и можем легко навредить природным системам.

Иллюстрацией третьего закона экологии Комптона может служить математический расчет параметров биосферы. Для него, применяя самые современные средства вычисления, требуется безмерно больше времени, чем весь период существования нашей планеты как твердого тела.

Так как потенциально осуществимое разнообразие природы оценивается числами с порядком от 1050 до 101000, то при пока не осуществленном быстродействии персональных компьютеров (1010 операций в сек) и работе огромного числа (1050) машин. операция вычисления одномоментной задачи варианта из 1050 разностей займет 1030 с, или 3·1021 лет, что почти в 1012 раз дольше существования жизни на Земле.

Природа пока «знает» лучше нас.

Четвертый закон вновь касается тех проблем, которые обобщает закон внутреннего динамического равновесия и закон развития природной системы за счет окружающей ее среды. Коммонер так разъясняет свой четвертый закон экологии «...глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которой ничего не может быть выиграно или потеряно и которая не может являться объектом всеобщего улучшения; все, что было извлечено из нее человеческим трудом, должно быть возмещено. Платежа по этому векселю нельзя избежать; он может быть только отсрочен».

Закон квантитативной компенсации.

Этот закон был предложен в 1936 г. А.Л. Чижевским. Он означает, что биосфера стремится к поддержанию средних значений физических, химических и биологических явлений на больших территориях. Так наблюдающееся потепление климата в Северной Евразии сопровождается похолоданием в тропических широтах Африки, Южной Америки, Индии, а также на востоке США и Канады. Если на какой-то территории наступила засуха, то в другом месте идут обильные дожди, однако среднегодовое количество осадков в пределах зоны изменяется не столь резко.

Данный закон позволяет не опасаться гибели современной цивилизации по географическим и экологическим причинам. Энергетические колебания в деятельности Солнца могут вызвать возмущения на Земле. В конечном итоге биосфера уравновесит эти возмущения, поддерживая необходимые условия существования жизни на планете.