Проблемы экологии существуют столько, сколько существует человечество. На протяжении столетий человек пытается осмыслить свое положение в биосфере. Тем не менее, достаточно глубокого понимания сущности проблемы взаимосвязи человека и природы до сих пор не существует. Однако уже возникло понимание того, что человечество, не смотря на значительные технические достижения, является лишь звеном огромной природной цепи, и, следовательно, взаимосвязано и взаимозависимо от всех ее элементов. Нормальное состояние и функционирование биосферы, стабильность окружающей среды невозможны без обеспечения благоприятной среды обитания для всех биотических сообществ во всем их многообразии. Так, современная биосфера возникла как результат длительной эволюции в процессе активного взаимодействия абиотических и биотических факторов, а необходимый для жизни уровень кислорода на планете появился только благодаря фотосинтезирующим автотрофам [1]. Деятельность цианобактерий и синезеленых водорослей, а затем и настоящих водорослей и наземных растений явилась решающей для формирования современной биосферы.
Обычно проблемы экологии связывают с загрязнением среды, опустыниванием земли, исчезновением лесов. Конечно, на всех стадиях своего развития человек влиял на окружающий мир. Но с тех пор как общество превратилось в высокоиндустриальное, вмешательство человека в природу резко усилилось, расширился объѐм этого вмешательства, оно стало многообразнее. Огромную антропогенную нагрузку испытывают все ее компоненты: литосфера, атмосфера, гидросфера, а также биотические сообщества. Сейчас абсолютно очевидно, что воздействие человека на биосферу достигло беспрецедентных размеров. Так, суммарный мировой выброс в атмосферу основных загрязнителей (диоксида серы, оксида азота, оксида углерода, твердых частиц) составляет 401 млн. тонн. В Мировой океан поступает около 25—30 миллион тонн нефти и нефтепродуктов. За последние 20 лет средняя глобальная температура повысилась на 0,6єС, уровень моря поднялся на 3 дюйма, ледовые щиты Гренландии и Антарктиды потеряли 4,9 трлн тонн льда. «Мы слишком быстро переделываем свою планету, и уже начинаем страдать от последствий», - заявил профессор наук о Земле Принстонского университета Майкл Оппенгеймер[2].
Негативные тенденции этих воздействий на человека и биоту носят не только выраженный локальный, но и глобальный характер. Но каким образом все это может обернуться против человека, изучено слабо. Не изучены скрытые факторы, которые мы пока не понимаем, но которые могут оказаться не менее опасными. Ведь в мире все самосогласовано и все процессы эволюции нелинейные. И чтобы знать, как изменения в заданной области пространства скажутся на смежной области пространства, необходимо знать огромное число связей, определяющих эти самосогласованные области. Неизвестно, к примеру, чем обернется для человечества очередное исчезновение какой-либо биологической ветви во взаимосвязанной сети биологических звеньев [3]. Таким образом, экологические проблемы, главным образом, связаны с недостаточным пониманием законов природы, места человека в этом мире и правил поведения человека в природе. Поэтому без глубоких знаний невозможно обеспечить гармонию с природой, научится существовать и развиваться, не нарушая экологической ниши. В этой связи нами рассматривается понятие экологическая ниши с позиций открытых неравновесных динамических систем и гармония в экологической нише.
Исходный термин «экологическая ниша» был введен в 1914 году Дж.Гриннеллом и в 1927 году Чарльзом Элтоном. В последствии над развитием концепции экологической ниши работали Г.Хатчинсон, Ю.Одум и др. Ю.П.Хрусталев, Г.Г.Матишов предложили определение экологической ниши как место вида в природе, преимущественно в биоценозе, включающее как положение его в пространстве, так и функциональную его роль в сообществе, отношение к абиотическим условиям существования [4].
В большом энциклопедическом словаре экологическая ниша определяется как совокупность всех факторов природной среды, в пределах которых возможно существование того или иного вида организмов. К таким факторам
относится не только положение вида в пространстве (его местообитание), но также его взаимоотношения с другими видами (конкуренция за пищу, наличие врагов и т. п.) [5].
В приведенных дефинициях экологическая ниша рассматривается как простая совокупность определенных факторов. В сложных же природных взаимодействиях ее необходимо изучать как открытую неравновесную динамическую систему. В динамической системе нужен баланс потоков всех типов энергий и энтропий. Баланс входящих и исходящих потоков энергии и энтропии, обеспечивающих стационарность динамической системы при заданных внешних ограничениях, является необходимым условием гармонии. В математике есть понятие аттрактора. Аттрактор, это состояние или внутренняя структура, к которой стремится открытая неравновесная динамическая система при заданных внешних ограничениях. То есть для заданного аттрактора гармонией являются такие ограничениям на систему, которые приводят к его возникновению и существованию.
Поскольку в общем случае открытая неравновесная динамическая система является иерархической системой, то гармония, прежде всего, означает наличие баланса потоков энергии, энтропии, материи на всех иерархических уровнях открытой неравновесной динамической системы. Законы гармонии универсальны [6]. Все элементы Вселенной с позиций детерминизма должны быть взаимосвязаны. Поэтому гармония возможна только лишь при балансе всех потоков энергии и энтропии во Вселенной. Понятие гармонии для низших уровней костной материи эквивалентно принципу наименьшего действия в классической механике [7].
Гармония может быть нарушена в результате изменений внешних ограничений на систему и в результате внутренних процессов в системе. Например, в первом случае, если изменяется активность Солнца, то происходят изменения состояния организма [8]. Может случиться так, что в результате загрязнения окружающей среды, вырубки лесов, загрязнений водоемов человеком, сам человек не сможет получать необходимого качества и величины потока энергии. В результате он погибнет. Исходя из вышесказанного, экологическую нишу можно определить, как область таких изменений параметров окружающей среды, в рамках которых может существовать живая материя.
Используемое определение гармонии приемлемо для любых систем. Конечно, оно не раскрывает всей сложности процессов. Но оно определяет пути изучения необходимых условий стационарности всех открытых динамических систем без детального рассмотрения сложных нелинейных процессов эволюции. Оно помогает найти принципы и законы, в соответствие с которыми динамические системы могут быть стационарны, а также и то, как открытые неравновесные системы определяются этими законами.
Гармония существенно усложняется по мере продвижения по иерархической лестнице. Так, для системы, которая состоит из газа, она заключается в поддержании градиентов системы за счет проходящего через нее потока тепла или вещества. Например, поток тепла может поддерживать стационарные конвективные структуры в жидкости и газе.
Наиболее простой органической структурой является растительная клетка. Для ее существования в клетку должен быть обеспечен поток ультрафиолетового излучения, воды и других компонентов. Одновременно растения производят кислород. При фотосинтезе поток ультрафиолетового излучения, превращается в инфракрасное излучение. Его энергия в среднем примерно равна энергии ультрафиолета, но инфракрасное излучение имеет более высокую энтропию. То есть растительная клетка «питается негэнтропией» [9]. При этом производство энтропии в клетке из-за внутренних неравновесных процессов, компенсируется ростом энтропии при преобразовании внутри клетки ультрафиолета в инфракрасное излучение. Некоторую часть энергии Солнца клетка тратит на воспроизводство других клеток. То есть на данной ступени иерархической лестницы наблюдается переход энергии света в энергию и структуру произведенной биомассы в виде новых клеток. Для их производства используется поток вещества: вода, углерод и др.
Растительную клетку можно назвать первым наиболее простым звеном всей цепи биосферы. Ключевым отличием растительной клетки от костной материи является возможность воспроизводства подобных себе клеток. Пока неизвестно, как природа нашла этот путь развития материи. Клетка существует, главным образом, благодаря трансформации энергии света и потока, поступающего в нее «строительного» вещества. Очевидно, что законы эволюции клетки, прежде всего, должны проистекать из законов, определяющих фотохимические реакции. То есть, законы, определяющие фотохимические реакции для клетки являются законами нижнего иерархического уровня.
Белковая материя находится на верхней иерархической ступени после растительной клетки. Она существует не только за счет потока костной материи, но и за счет приходящего потока растительных клеток и клеток, подобных себе. При этом усложняется способ трансформации этого потока. Животные, носители белковых клеток, сами находят пищу, благодаря возможности передвигаться, благодаря органам чувств и врожденным инстинктам поиска пищи. Если же этих факторов недостаточно для преодоления естественных препятствий в обеспечении своей жизнедеятельности, они погибают.
Пока неизвестно, каким путем был осуществлен переход между растительной и белковой ступенями развития материи. Но подход к решению этой проблемы следует искать в рамках детерминизма, опираясь на универсальность принципов существования и эволюции, открытых неравновесных динамических систем, а также взаимосвязь законов иерархических уровней.
Человек находится на верхнем иерархическом уровне всей биологической цепи. Это действительно иная ступень развития биологической жизни. Иерархическую ступень человека определяется, прежде всего, развитой способностью мыслить, получать знания о мире, адаптироваться в нем.
Качественное отличие этой иерархической ступени от всех предшествующих ступеней состоит в том, что человек, благодаря способности познавать природу, может трансформировать окружающую среду так, чтобы расширить свою экологическую нишу. Так, он выращивает растения и животных, трансформирует различные предметы окружающего мира, делая их удобными для использования. Это не только позволяет ему повышать устойчивость к флуктуациям среды обитания, но и расширяет эту среду, что в значительной степени гарантирует его существование и развитие. Но это приводит к тому, что человек способен производить энтропию значительно больше, чем любые типы живой материи. Именно это порождает проблемы экологии.
Из сказанного очевидно, что ухудшение экологии связано с избытком производства энтропии в результате человеческой деятельности. Создаваемый человеком избыток энтропии катастрофически накапливается. Природа не в силах восстанавливать баланс потоков энергии и энтропии из-за трансформации человеком среды обитания, в результате экосистема разрушается.
Таким образом, изучение экологической ниши, вне зависимости от ее сложности показывает, что гармония в ней достигается, благодаря балансу потоков энергии, вещества и энтропии. Этот баланс нельзя нарушать, чтобы не разрушить саму экологическую нишу. При этом экологическую нишу мы определяем, как область таких изменений параметров окружающей среды, в рамках которых может существовать живая материя.
- Смирнов Б.М. Экологические проблемы атмосферы Земли // УФН. Т. 117, В. 2, 1975. С. 313-322.
- http://www.meteovesti.ru/news.n2. item=63555653832.
- B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter. Molecular biology of the cell // Garland Science, USA. 2008. P. 1302—1303.
- Хрусталев Ю.П., Матишов Г.Г. Эколого-географический словарь // Российская академия наук, Кольский науч. центр, 1996. 142c.
- Большой Энциклопедический словарь. М.: Большая Рос. энцикл., 2000 847 с.
- Лоскутов А.Ю., Михайлов А.С. Введение в синергетику. М. изд-во Наука. 1990. 272 с.
- Голдстейн Г. Классическая механика. М. изд-во Наука. 1975. 416 с.
- Doronin V.N., Parfent’ev V.A. etc. Influence of Variations in Geomagnetic Field and Solar Activity on Human Physiological Parameters // Biophysics Vol. 43, No. 4, 1998. P. 610-617.
- Шрѐдингер Э. Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки. М.-Ижевск: НИЦ // Регулярная и хаотическая динамика. 2002. 92с.