Глава 7

Основные  экологические законы и правила, определяющие самосохранение экологических систем 

       Для достижения положительного результата в процессе природопользования и охраны окружающей среды необходимо руководствоваться следующими законами, постоянное нарушение которых приводит к дисбалансу основных составляющих биосферы (экосистемы, социальные системы) [11].

      1. Закон максимизации энергии. Выживание (сохранение) системы определяется наилучшей организацией поступления в нее энергии и использования ее максимального количества.

       В каждой системе для реализации закона максимизации имеются следующие положения: создание накопителей (хранилищ) высококачественной энергии (почва –  источник энергии для растений, растения – источник энергии для других организмов, человеческий труд и т.д.); затраты накопленной энергии на обеспечение поступления новой энергии; обеспечение кругооборота различных веществ; создание механизмов регулирования, поддерживающих устойчивость системы; налаживание с другими системами обмена, необходимого для обеспечения потребности в энергии специальных видов.

       Закон максимизации энергии справедлив и  в отношении информации. Поэтому  его можно рассматривать и  как закон максимизации информации:  наилучшими шансами на сохранение обладает система, которая в наибольшей степени способствует поступлению, выработке и эффективному использованию энергии и информации. Примером проявления закона максимизации энергии и информации служит сукцессия, которая в энергетическом смысле связана с фундаментальным сдвигом потока энергии в сторону увеличения количества энергии, направленной на поддержание системы. Сукцессия состоит из стадий роста, стабилизации и климакса [2]. Различия между растущими и зрелыми экосистемами можно представить в виде следующей таблицы (табл. 6).

       Изменения показателей  экосистемы.  Таблица 6.

       Как видно из сведений, приведенных в  таблице, существует обратная зависимость  между энтропией и информацией, развитие экосистем идет в направлении эффективного использования энергии (крупные размеры организмов) и повышении их устойчивости. Непосредственно с устойчивостью экосистем связано разнообразие видов  в ней. Для сохранения биосферы нужны как высоко- ,так и низкоорганизованные виды. Поэтому вывод о том, что эволюция ведет к замене одних, менее сложных видов другими, более сложными, вплоть до человека – венца природы, – не верен.

      2. Закон минимума. В 1840 г. Ю. Либих установил, что урожай зерна часто лимитируется (ограничивается) не теми питательными веществами, которые требуются в больших количествах, а теми, которых нужно немного, но которых мало и в почве. Впоследствии к питательным веществам добавили другие факторы и закон Либиха распространили не только на отдельные виды, но и системы. В современной трактовке закон минимума формулируется следующим образом: «Выносливость организма (или устойчивость системы) определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей, т.е. жизненные возможности организма (или системы) ограничивают экологические факторы, количество и качество которых близки к минимуму, необходимому организму или системе». При дальнейшем их снижении происходит гибель организма или системы.

       Закон минимума дополняется правилом взаимодействия факторов, согласно которому организм в определенной мере способен заменить дефицитное вещество или другой действующий фактор иным функционально близким веществом или фактором. В условиях техногенного загрязнения окружающей среды проявление этого правила может сыграть роковую для организма роль, например, при замене недостающих организму К и Са на их химические аналоги Cs-137 и Sr-90. В то же время правило взаимодействия факторов позволяет рационально производить замену дефицитных веществ на менее дефицитные.

3. Закон толерантности. Закон толерантности, который обобщает закон минимума, предложил в 1913 году В. Шелфорд. Он формулируется следующим образом: отсутствие или невозможность развития экосистемы определяется не только недостатком, но и избытком любого из факторов (тепло, свет, вода). Следовательно, организмы характеризуются как экологическим минимумом, так и максимумом. Слишком много хорошего тоже плохо. Диапазон между двумя величинами составляет пределы толерантности, в которых организм нормально развивается.

       Дополнения  к закону толерантности:

• организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного фактора и узкий в отношении другого;
• организмы с широким диапазоном толерантности ко всем факторам обычно наиболее широко распространены;
• период размножения обычно является критическим, в этот период многие факторы среды часто оказываются лимитирующими;
• если условия по одному экологическому фактору не оптимальны для вида, то может сузиться диапазон толерантности к другим экологическим факторам.

         В качестве лимитирующих факторов могут выступать свет, соленость воды, микроэлементы, витамины. Главным лимитирующим фактором по Ю.Одуму являются размеры и качество нашей «природной обители». Следует стремиться к тому, чтобы сохранить по меньшей мере треть всей суши в качестве охраняемого открытого пространства. Это означает, что треть всей нашей среды обитания должны составлять национальные или местные парки, заповедники, зеленые зоны, участки дикой природы и т.п. К лимитирующим факторам относится и численность популяции. Это обобщается в принципе Олли: «Степень агрегации (так же, как и общая плотность), при которой наблюдается оптимальный рост и выживание популяции, варьирует в зависимости от вида и условий, поэтому как «недонаселенность» (или отсутствие агрегации), так и перенаселенность могут оказывать лимитирующее влияние». Экологи считают, что принцип Олли приложим и к человеку. Поэтому существует потребность в определении оптимальной величины городов, стремительно растущих в настоящее время.

      4. Закон обеднения живого вещества в островных его сгущениях. Индивидуальная система, работающая в среде с уровнем организации более низким, чем уровень самой системы, обречена: постепенно теряя структуру, система через некоторое время растворится в окружающей среде. Из этого закона,  сформулированного Г.Ф. Хильми в 1966 году, следует важный вывод для природоохранной деятельности: искусственное сохранение экосистемы малого размера (на ограниченной территории, например, заповедника) ведет к ее постепенной деструкции и не обеспечивает сохранения видов и сообществ. Поэтому в степной зоне не приживаются лесополосы, но неплохо развиваются парки, лесонасаждения.

      5. Закон ограниченности природных ресурсов. Правило одного процента. Все природные ресурсы Земли конечны, так как Земля представляет собой естественное ограниченное целое и на ней не могут существовать бесконечные части. Следовательно, категория «неисчерпаемых» природных ресурсов возникла по недоразумению.

       Даже  солнечную энергию нельзя отнести  к неисчерпаемому источнику и не потому, что Солнце, как небесное тело, конечно. Существуют ограничения, накладываемые энергетикой самой биосферы. Согласно правилу одного процента изменение энергетики природной системы в пределах 1% выводит систему из равновесного (квазистационарного) состояния. Все крупномасштабные явления на поверхности Земли (циклоны, извержения вулканов, процесс суммарного фотосинтеза), как правило, имеют суммарную энергию, не превышающую 1% от энергии солнечного излучения, падающего на поверхность нашей планеты.

      6. Закон пирамиды энергий. Правило 10 %. Все разнообразие проявлений жизни сопровождается превращениями энергии, основным источником которой является Солнце. Усваивается и используется организмами лишь незначительная ее часть. Около половины обычного солнечного потока, падающего на зеленое растение, поглощается фотосинтетическими элементами, и только  1/100 – 1/20-я  доля поглощенной энергии запасается в виде биохимической энергии, т.е. в виде химических связей органических соединений. Большая часть солнечной энергии теряется в виде тепла. Поглощенная энергия с пищей передается по трофическим цепям. Это можно графически изобразить в виде пирамиды:

  - деструкторы

         - редуценты

                                                        -консументы

                                                            -продуценты 

       В соответствии с законом пирамиды энергий, с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой уровень в среднем не более 10 % энергии. Среднемаксимальный переход энергии (или вещества в энергетическом выражении) с одного уровня на другой может колебаться от 7 до 17%. Превышение этой величины может привести к полному исчезновению популяций. Закон пирамиды энергий и правило 10 % служат общим ограничением для практических целей в хозяйственной деятельности человека. Этот закон используется, например, для эколого-экономических подсчетов, таких как расчет необходимой земельной площади для обеспечения населения продовольствием.

      7. Правило обязательности заполнения экологических ниш. Пустующая экологическая ниша всегда бывает естественно заполнена. Примером правила обязательности заполнения экологических ниш служит возникновение новых заболеваний, например, СПИДа (синдром приобретенного иммунодефицита), вызываемых особым вирусом. Вирус СПИДа был гипотетически предсказан учеными более чем за 10 лет до выявления болезни как гриппоподобный вирус с высокой летальностью заболевших.  Основанием для предсказания служило то, что применение антибиотиков уничтожило многие виды возбудителей инфекционных заболеваний человека. В результате высвободились экологические ниши, которые неминуемо должны быть заполнены. Поскольку при замене исчезнувшего или уничтоженного вида происходит замена более крупных по размерам и высокоорганизованных менее крупными и организованными, то было предположение, что одна из экологических ниш будет заполнена вирусом с высокой степенью изменчивости (приспособляемости). В данном случае изменчивость этого вируса помогает ему выжить в условиях жесткого применения лекарственных препаратов. Вирус СПИДа имеет частоту мутаций в 10 раз больше, чем вирус гриппа. Уже давно отмечается, что при уничтожении одних возбудителей заболеваний (человека, животного или растения) они сменяются другими, более устойчивыми формами и этот процесс представляется бесконечным.

      8. Правило «мягкого» управления природой. «Мягкое» управление природой заключается в восстанавливающем экологический баланс управлении природными процессами. Это правило называется также целесообразным преобразованием природы и основывается на восстановлении бывшей естественной продуктивности экосистем или повышении путем мероприятий, использующих объективные законы природы. Для примера рассмотрим это правило на двух формах ведения лесного хозяйства – сплошнолесосечной («жесткое» воздействие) и выборочной рубке («мягкое» воздействие). На первый взгляд сплошная рубка экономически более выгодна, когда в один прием забирается вся древесина. При этом предполагается, что на сплошных лесосеках лес можно восстановить путем его массовой подсадки. Это мероприятие в целом недорого. При выборочной рубке возникает много осложнений технического порядка, и древесина оказывается дороже. Но при сплошной рубке теряется постепенно сама лесная среда, что приводит к падению уровня рек, поселяющиеся травы мало выкачивают воды, и это приводит к заболачиванию. Зарастание лесосеки нелесными видами растений препятствует росту молодого леса и др. неблагоприятные последствия. При выборочной же рубке управление восстановлением леса облегчается из-за сохранения лесной среды, а повышенные начальные затраты окупаются в результате предотвращения ущербов. Приведенный пример хорошо иллюстрирует положение о том, что антропогенная деятельность без учета экологических законов приводит к экономическому ущербу. «Жесткое» управление природой иногда бывает целесообразно, если оно рассчитано на короткое время. В долгосрочной перспективе эффективно только «мягкое» управление природными процессами.

      9. Закон конкурентного исключения. Два вида, занимающие одну экологическую нишу не могут сосуществовать в одном месте неограниченно долго. Выдерживают конкуренцию вид, рост популяции которого выше. Неспособность вида к биотической конкуренции ведет к его оттеснению и необходимости приспособления к более трудным условиям и факторам.

      Закон конкурентного исключения может  работать и в человеческом обществе. В настоящее время в биосфере нет свободного места для расселения цивилизаций, они не могут разойтись, нет избытка ресурсов, что приводит к обострению борьбы со всеми вытекающими отсюда последствиями. В свое время Гитлер оправдывал агрессивную политику нацисткой Германии борьбой за жизненное пространство, ресурсы нефти, угля и т.д. В конце XX века добавилась необходимость территории для захоронения радиоактивных и прочих опасных для здоровья человека отходов. Появился экологический колониализм - когда одна цивилизация может не только завоевать другую, но и купить более бедную. Так переплетаются политические, социальные и экологические проблемы.