Системные связи в биосфере

Среди форм взаимоотношений между организмами разных видов в природе главное место занимают взаимодействия, которые обобщённо могут быть обозначены как «пища – потребитель пищи» или «ресурс – эксплуататор». Сюда относятся такие явления, как отношения хищника и его жертвы, поедание травы фитофагами, паразитизм на теле хозяина и т.д. Взаимодействие в каждой из таких пар можно представить в виде контура прямых и обратных связей. Примером здесь могут служить взаимодействия численности особей в популяциях хищника (Х) и его жертва (Ж) (рис.2.2).

─ +

+ ─

 

 

Рис.2.2. Системная связь жертва-хищник

 

Они связаны положительными и отрицательными причинными зависимостями. Знаки (+) и (-) в данном случае обозначают не качественный результат связи, не «хорошо» или «плохо», а однонаправленность (+) или 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 об одном виде хищника и одном виде жертвы, то хищник не в состоянии уничтожить всех жертв, поскольку при снижении плотности жертв затраты энергии на их поиск и охоту начинают превышать энергетическую ценность пойманной жертвы. Основная часть жертв обычно избегает встречи с хищником. В целом такой контур имеет отрицательный знак (-), «плюс и минус дают минус». Это означает, что система способна сама себя поддерживать, хотя и колеблется около какого-то более или менее стабильного уровня. Можно предположить, что в какой-то период количество жертв уменьшилось потому, что в предыдущем периоде оно увеличилось. Каждый из связанных таким образом членов системы становится причиной своего собственного поведения во времени. Рассмотрим поведение более сложного контура (рис.2.3).

+ +

+

─



+ ─

+

+

─ ─

 

Рис.2.3. Схема взаимодействий (причинных связей) между основными компонентами экосистемы водоёма (по Т.А. Акимовой и др. 2001):
М – минеральные питательные вещества; Ж – животные; Б – бактерии;

Д – детрит; В – водоросли

Предположим, что под влиянием какого-то внешнего фактора, например, благоприятной температуры или попадания в водоём питательных веществ началось усиленное развитие водорослей – фитопланктона. Это приводит к уменьшению запасов минеральных веществ в воде и росту количества животных – от зоопланктона до рыб. Вызванное этим явлением чрезмерное выедание фиотопланктона приводит через определённое время к ограничению размножения животных. Временное повышение биомассы гидробионтов ведёт к нарастанию массы детрита. Будучи пищей для бактерий, детрит вызывает усиленное их размножение и преобразуется ими в минеральные продукты. Цикл замыкается, контур в целом имеет отрицательный знак. В данном случае сама система способна к самоподдержанию. На подобных механизмах основаны процессы самоочищения водоёмов.

Необходимо отметить исключительное значение отрицательных обратных связей для любых систем, в которых осуществляется регуляция. Отрицательная обратная связь является главным элементом любого регулятора в технике. На принципе обратной связи построены все механизмы регуляции и поддержание постоянства внутренней среды и внутренних взаимосвязей, то есть гомеостаза любой авторегуляторной системы. Все экологические системы включают контуры отрицательных обратных связей. В отличие от них, контуры положительных связей не только не способствуют регуляции, а наоборот, генерируют дестабилизацию систем, приводя их либо к угнетению или гибели, либо к ускоряющему росту, «разгону» системы, за которым, как правило, следует срыв и разрушение системы. Чтобы изменить поведение системы, недостаточно изменить связи, гораздо важней добавить или изъять какие-то кольца связей, которые могли бы изменить знак внутри контура.

Гармонизирующее с окружающей средой производство и потребление продуктов должны основываться на законах экологии, в том числе сформулированных известным американским учёным-экологом Барри Коммонером.

Согласно первому закону «Всё связано со всем»все экосистемы являются взаимонастрающимися и взаимоуровновешанными. При каких-либо отклонениях в одном звене экосистема в целом стабилизируется благодаря динамическим самоконтролирующим свойствам, а при слишком сильных отклонения может произойти её разрушение. Допустимые отклонения, не приводящие к драматической развязке, определяются сложностью системы и её кинетическими параметрами (скоростью метаболизма различных популяций, входящих в систему и т.п.). Разрушение отдельных звеньев приводит к упрощению экосистем и к их большей «ранимости». Иллюстрацией упадка экосистемы может служить разрушение кислородного обмена в воде, вызываемое эвтрофированием, которое тесно связано с увеличением в бассейне большого количества питательных веществ, транспортируемых со сбросными водами. Питательные вещества стимулируют рост водорослей, а плотный их слой начинает препятствовать проникновению в нижние слои воды солнечного света, который необходим для фотосинтеза.

Количество отмираемых водорослей неуклонно растёт, и весь растворённый в воде кислород расходуется на их разложение, что приводит к гибели разлагающих водоросли бактерий, которые не могут существовать без свободного кислорода и других водных организмов.

Второй закон гласит: «Всё куда-то должно деваться». В природе продукты жизнедеятельности одних организмов служат «сырьём» для других. Многие производственные технологические отходы часто не вписываются в природные экосистемы из-за слишком больших объёмов или чужеродности и тем самым загрязняют их. Дальнейший путь загрязняющих веществ может быть самым необычным. Так, например, содержащаяся в выбросах многих химических предприятий ртуть попадает в организм рыб, из рыб – в организм человека и накапливается в нём, так как ртуть очень слабо участвуют в метаболизме. Производственные и бытовые отходы, поступая в окружающую среду, не исчезает бесследно, а остаются чуждыми ей.

Третий закон:«Природа знает лучше».Любое крупное изменение природной системы вредно для неё, ибо эта система прошла несравненно более длительную эволюцию, чем период развития цивилизации, и усовершенствовалась до уровня тончайшего механизма, в которой каждая, даже самая мелкая деталь, играет незаменимую роль. Для любой органической субстанции, вырабатываемой организмами, в природе существует исторически сформировавшийся фермент, благодаря чему происходит её разложение. Большинство синтезированных человеком веществ отличаются от природных систем тем, что они в естественных условиях не разлагаются, а накапливаются в окружающей природной среде. Попав в живой организм, эти вещества могут вызывать самые неожиданные последствия. Данный закон призывает нас к предельной осторожности при взаимодействии с природной средой.

Четвёртый закон: «Ничто не даётся даром, за всё надо платить».Всё, что человек берёт от природы, должно быть рано или поздно возмещено, так как глобальная экосистема является единым целым, в рамках которого не может быть что-то выиграно или потеряно. Как пишет Б. Коммонер: «…платежа по этому векселю никак невозможно избежать, он может быть только на время отсрочен».

Таким образом, по Б. Коммонеру, любой технологический процесс не должен приводить к нарушению каких-либо звеньев экосистемы. Если нарушения произошли, то они подлежат устранению. Наименьшее число нарушений в экосистеме вызывает такое производство, которое имеет высокую степень замкнутости. В подобном производстве отходы сводятся к минимуму, а поток материалов приближается к замкнутому кругообороту вещества, как в природных системах.