Электронная онлайн библиотека

 
 Экология и охрана окружающей природной среды

1.9. Основные экологические законы


Задачей экологии являются поиск законов функционирования и развития этой отрасли объективной реальности. Исторически первым для экологии есть 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, по которому "веществом, что есть в минимуме, регулируется урожай и определяется величина и его устойчивость во времени". Действие этого закона ограничивают два принципа. Согласно первым закон Либиха применяется только в условиях стационарного состояния. Его более точную формулировку: "При стационарном состоянии лимитирующей будет и вещество, доступна 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 до минимума, необходимого для организма, он выживает, если меньше этот минимум, организм гибнет, экосистема разрушается.

Следующий закон обобщает закон минимума.

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

В соответствии с этим законом 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 таким образом: два вида, которые занимают одну экологическую нишу, не могут сосуществовать в одном месте бесконечно долго. То, какой из видов побеждает, зависит от внешних условий. При этих условиях победить может каждый. Важным для победы обстоятельством является скорость роста популяции. Неспособность вида к биотической конкуренции приводит к его вытеснения и необходимости приспособления к более сложных 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, что обостряет конкурентную борьбу. Можно говорить о экологическое соперничество между странами и даже о экологические войны или войны, обусловленные экологическими причинами. В свое время Гитлер оправдывал агрессивную политику нацистской Германии борьбой за жизненное пространство. Ресурсы нефти, угля и тогда были очень важными. Еще больший вес они имеют в конце XX столетия, когда добавилась необходимость территории для захоронения радиоактивных и других отходов. Войны - горячие и холодные - приобретают экологического характера. Много событий, 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 участвует в биохимических процессах непосредственно, или создает соответствующее, обогащенный кислородом, углекислым газом, водородом, азотом, фосфором и другими веществами, среда. 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, сбалансированной веками биогенной миграции атомов. В будущем это приведет к очень негативные изменения, которые уже сейчас приобретают способности саморазвиваться и становятся глобальными, неуправляемыми (спустелювання, деградация почв, вымирание тысяч 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 природных процессов и т.д.) 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 крупных экосистемах могут иметь необратимый характер, а любые локальные преобразования природы вызывают в биосфере планеты реакции-ответы, которые предопределяют относительную неизменность эколого-экономического потенциала. Искусственное рост эколого-экономического потенциала ограниченное термодинамічною устойчивостью природных систем. Закон гласит, что в случае незначительных вмешательств в природную среду его экосистемы способны саморегулироваться и восстанавливаться, а когда эти вмешательства превышают определенные границы и уже не могут угаснуть в цепи иерархии экосистем, они приводят к значительным нарушениям энерго - и біобалансу на значительных территориях и во всей биосфере.

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

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 те виды организмов, на которые они рассчитывались.

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

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

Этот закон тесно связан с законом внутреннего динамического равновесия. По закону константності 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 является правило обязательного заполнения экологических ниш.

Закон корреляции (сформулированный Же. Кюв'є): 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 максимізаціі энергии (сформулирован Г. и Ю. Одумами и дополнен М. Реймерсом): в конкуренции с другими системами сохраняется та из них, которая больше всего способствует притоку энергии и информации и использует максимальное их количество наиболее эффективно.

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

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

В процессе эволюции видов выживают те, которые увеличивают біогенну 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 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 консументом 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 редуцентів к продуцентов) попадает очень мало начальной энергии (не более 0,25%), поэтому срок круговорот энергии является достаточно условным.

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

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

Закон пирамиды энергий (сформулированный Г. Ліндеманом): 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 круговорот энергии в біоценозі 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 природные условия среды, необходимые для жизни, играют равнозначны роли. Отсюда следует другой закон - совокупной действия экологических факторов.

Закон развития окружающей среды: будь-яка естественная система развивается только за счет использования матеріальноенергетичних и информационных возможностей окружающей среды.

Абсолютно изолирован саморазвитие невозможен - это вывод из законов термодинамики.

Из этого закона вытекают следующие выводы:

- абсолютно безотходное производство невозможно;

- будь-яка более высокоорганизованная биотическая система в своем развитии является потенциальной угрозой для менее организованных систем. Поэтому в биосфере Земли невозможно повторное зарождения 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 тратит, все больше энергии (увеличиваются энергетические затраты на одного человека).

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

Закон совокупной действия природных факторов (закон Мітчерліха - Тінемана - Бауле): 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 оказывается каждый фактор при неизменности других в той совокупности, что рассматривается.

Закон Ґрунтостомлення (снижение плодородия): постепенное снижение естественного плодородия почв происходит через длительное их использование и нарушение природных процессов почвообразования, а также вследствие длительного выращивания монокультур, вследствие накопления токсических веществ, выделяемых растениями, остатков пестицидов и минеральных удобрений.

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

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

Через наличие в любой популяции устойчивых к физико-химического воздействия видов скорость отбора по выносливостью популяций к вредному агента прямо пропорциональна скорости размножения организмов и чередование поколений. Вследствие этого длительное использование пестицидов является 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, выпадения одной части системы неизбежно приводит к вы ереключить связанных с ней других частей экосистемы и функциональных изменений.

Известны также четыре законы экологии, американского ученого Бы. Коммонера:

- все связано со всем;

- все должно куда деваться;

- природа знает лучше;

- ничто не дается даром.

Первый закон Бы. Коммонера, по мнению М. Реймерса, близок по смыслу к закону внутреннего динамического равновесия, второй - до этого же закона и закона развития природной системы за счет окружающей среды, третий - предостерегает человечество от самоуверенности, четвертый - снова касается проблем, которые обобщают закон внутреннего динамического равновесия, законы константності и развития природной системы. В соответствии с четвертым законом Бы. Коммонера мы должны возвращать природе то, что берем от нее, иначе катастрофа неизбежна.

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

- рециклічності или многократного повторного использования важнейших веществ;

- постоянного восстановления ресурсов;

- консервативного потребления (когда живые существа потребляют только то и в том количестве, что 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. Чірас считает изучение структуры и функций экосистем, их уравновешенности или неуравновешенности, то есть причин стабильности и разбалансирования 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 емерджентності: целое всегда имеет особые свойства, отсутствующие в 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 предыдущему состоянию, реализованного его предками.

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

Биогенный закон (Е. 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-Брауна: при внешнее воздействие, выводящее систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении ослабления эффекта внешней действия. Этот принцип в рамках биосферы нарушается современным человеком. "Если в конце прошлого столетия еще происходило увеличение биологической продуктивности и биомассы вследствие роста биологической продуктивности и биомассы в качестве ответа на рост концентрации углекислого газа в атмосфере, то с начала нашего века это явление не наблюдается" (Н.Ф. Реймерс).

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

Закон максимизации энергии и информации: лучшие шансы самосохранения имеет система, которая 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 A.A. Григорьева - М.Н. Будико: с изменением физико-географических поясов Земли аналогичные ландшафтные зоны и некоторые общие свойства периодически повторяются, то есть в каждом поясе - субарктическом, умеренном, субтропическом и тропическом и экваториальном - происходит смена зон по схеме: леса - степи - пустыни.

Закон развития системы за счет окружающей среды: будь-яка система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды; абсолютно изолирован саморазвитие невозможен.

Правило затухания процессов: с ростом степени зрівноваженості 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: вся живое вещество Земли физико-химически единственное, что не исключает биогеохимических различий.

Термодинамическое правило Вант-Гоффа - Аррениуса:

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

Правило Шредингера "об питания" организма отрицательной энтропией: при упорядоченности организма лучше окружающую среду он отдает в это среду более неустроенности, чем получает. Это правило соглашается с принципом сохранения упорядоченности Прижогіна.

Правило ускорения эволюции: с ростом сложности организации биосистем продолжительность существования вида в среднем сокращается, а темпы эволюции растут. 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 большое.

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

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

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

Принцип прогрессирующей специализаций группа, что ступает на путь специализации, в дальнейшем развитии будет идти путем все более глубокой специализации.

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

Закон увеличения размеров (роста) и веса (массы) организмов в філогенетичній ветке (В.И. Вернадский): в ходе геологического времени формы, что 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 равномерного распределения энергии), организовывать энергетические потоки для осуществления жизненных функций. Следовательно, 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 относительной независимости адаптации: высокая на-ность к одному из экологических факторов не дает такого же степени приспособляемости к другим условиям жизни (наоборот, она может ограничивать эти возможности через физиолого-морфологические свойства организмов).

Закон единства "организм - среда: жизнь развивает систему вследствие постоянного обмена веществом и информацией на базе потока энергии в совокупной единства среды и организмов, что его населяют.

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

Закон ограниченного роста (Ч. Дарвин): существуют ограничения, которые препятствуют тому, чтобы потомки одной пары особей, размножаясь по геометрической прогрессией, 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 младшие и находятся в условиях меньшего поступления энергии от Солнца.

Закон обеднение живого вещества в его згущеннях (Г.Ф. Хильми): 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 сохранение 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 такой же пропорции.

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

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

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

Правило взаємопристосованості организмов в біоценозі К. Мебиуса - Г.Ф. Морозова: виды в біоценозі приспособлены друг к другу настолько, что их сообщество составляет внутренне противоречиво, но единственное и взаимосвязано 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 сукцесийного замедление: процессы, происходящие в зрелых равновесных системах, которые находятся в устойчивом состоянии, имеют тенденцию к снижению темпов.

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

Правило константності числа видов в биосфере: число видов, которые появляются 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, у большинства 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.



Назад