Первый закон экологии: все связано со всем

Некоторые из доводов, на которых построено это обобщение, уже обсуждались. Оно отражает существование колоссальной сети связей в экосфере: между различными живыми организмами, между популяциями, видами, а также между отдельными организмами и их физико-химическим окружением. То положение, что экосистема состоит из множества взаимосвязанных частей, где одна воздействует на другую, имеет несколько удивительных следствий. Наша способность представить себе поведение таких систем в значительной степени обязана развитию не столько экологии, сколько науки кибернетики. Ее основные понятия и даже само название — заслуга изобретательного ума Норберта Винера.

Слово «кибернетика» происходит от греческого слова «рулевой»; оно обозначает цепочку событий, которые управляют поведением системы. Рулевой — это часть системы, в которую входят также компас, рулевое устройство и корабль. Если корабль отклоняется от фиксированного компасом курса, стрелка компаса показывает это. Это явление, отмеченное рулевым, влечет за собой другое: рулевой поворачивает штурвал, который возвращает корабль к прежнему курсу. После этого стрелка компаса занимает свое прежнее положение, по курсу, и цикл завершен. Если при небольшом отклонений стрелки компаса рулевой поворачивает штурвал слишком далеко, отклонение корабля от курса опять фиксируется компасом, который сигнализирует рулевому о необходимости дополнительной коррекции, которая производится обратным движением. Таким образом, реализация этого цикла стабилизирует курс корабля.

Точно так же построены стабилизирующие кибернетические связи в экологическом цикле. Возьмем, например, пресноводный экологический цикл: 2 рыба — органические отбросы разлагающие бактерии — неорганические продукты — водоросли и рыба. Предположим, что необычно теплая летняя погода обусловила быстрый рост водорослей. Это влечет за собой истощение запаса! неорганических питательных веществ; таким образом, два «сектора круга, водоросли и питательные вещества, выходят из равновесного состояния, но в противоположных направлениях. Механизм экологического цикла, аналогично тому, как это было с кораблем, вскоре возвращает систему к равновесию. Увеличившись в количестве, водоросли становятся более доступной пищей для рыбы, это уменьшает популяцию водорослей, увеличивая количество отбросов у рыб а, следовательно, приводит к увеличению содержания питательных веществ в воде после разложения отбросов. Таким образом, количество водорослей и питательных веществ возвращается к своему первоначальному, равновесному соотношению.

В подобных кибернетических системах правильный курс поддерживается не жестким контролем, но гибкостью. Корабль, например, не движется все время прямолинейно, а совершает синусоидальное движение, попеременно отклоняясь в обе стороны от правильного курса. Частота этих Отклонений зависит от относительных скоростей на разных стадиях цикла, таких, например, как скорость, с которой корабль слушается руля.

Экологические системы подчиняются подобным же циклам, хотя они часто смазываются суточными или сезонными вариациями погоды или другими факторами окружающей среды. Наиболее типичным примером подобных экологических колебаний могут послужить периодические флуктуации численности; популяций пушного зверя. Например, по данным охотничьего промысла в Канаде известно, что колебания численности кроликов имеют 10-летнюю цикличность. Когда кроликов много, рысь процветает; рост популяции рыси влечет за собой уменьшение популяции кроликов; когда она уменьшается значительно, для возросшего числа рысей начинает не хватать пищи; когда рыси начинают вымирать, их охота на кроликов становится менее интенсивной и последних становится больше. И так далее. Эти колебания являются следствием простой замкнутой связи, когда численность популяции рыси есть возрастающая функция от количества кроликов и когда численность популяции кроликов есть убывающая функция от количества рысей.

Подобные осциллирующие системы всегда подвержены опасности гибели: когда колебания достигают слишком большой амплитуды, система уже не может их компенсировать. Допустим, к примеру, что в одном из колебаний связи кролики — рысь рыси уничтожили всех кроликов (или, что то же самое, всех, кроме одного). Теперь популяция кроликов уже не может быть восстановлена. Рыси начинают вымирать, так как отсутствует пища; но на этот раз уменьшение численности рысей не влечет за собой восстановления численности кроликов. Рыси вымирают полностью. Система кролики — рыси приходит к гибели.

То, что мы называем «эвтрофикацией», также напоминает экологический упадок. Если содержание питательных веществ в воде становится настолько высоким, чтобы стимулировать быстрый рост водорослей, плотная популяция водорослей не может существовать долго. Поскольку толщина слоя водорослей растет, резко уменьшается поступление в нижние слои воды света, необходимого для фотосинтеза; поэтому любой скачок в развитии водорослей сопровождается быстрой их гибелью и появлением органических останков. Содержание их в воде может достичь настолько высокого уровня, что на их разложение уйдет весь кислород, растворенный в воде. Но тогда погибнут разлагающие бактерии, так как без кислорода они не могут существовать. Совершенный механизм водной экосистемы приходит в упадок.

Динамика поведения кибернетической системы — например частота ее собственных колебаний, быстрота ее реакции на внешние изменения и общая скорость ее функционирования — зависят от относительных скоростей, характерных для отдельных ее звеньев. В корабельной системе реакция стрелки компаса длится доли секунды, рулевого — несколько секунд, корабля — минуты. Эти различия в быстроте реакции порождают, например, характерную частоту колебаний курса корабля около правильного его значения.

В водной экосистеме каждому биологическому звену также свойственна своя характерная скорость реакции, которая зависит от скорости метаболических процессов и размножения соответствующих организмов. Так, для появления нового поколения рыбы необходимо несколько месяцев, водорослей – несколько дней, разлагающие бактерии способны размножаться за несколько часов. Скорость метаболизма этих организмов, то есть скорость, с которой они усваивают питательные вещества, используют кислород или продуцируют отбросы, связана обратной зависимостью с их размерами. Если скорость метаболизма рыбы принять за единицу, то для водорослей эта скорость будет составлять около 100, а для бактерий — порядка 10 000 единиц.

Для того чтобы вся циклическая система в целом оставалась в равновесии, необходимо, чтобы общая скорость ее внутренних процессов управлялась наиболее медленным звеном, в данном случае — ростом и метаболизмом рыб. Любое внешнее воздействие, которое ускоряет часть цикла и тем самым заставляет какую-то одну часть системы работать быстрее, чем система в целом, приводит к неблагоприятным последствиям. Так, например, скорость продуцирования рыбой отбросов определяет скорость метаболизма разлагающих бактерий и скорость потребления кислорода в процессе разложения. При равновесном состоянии системы кислород, который необходим для поддержания жизнедеятельности разлагающих бактерий, продуцируется водорослями и приходит из атмосферы. Предположим, что скорость поступления в систему органических отбросов резко возросла, например, за счет сброса сточных вод. Теперь бактерии имеют дело с намного большим количеством органических отбросов, чем обычно; при большой скорости своего метаболизма они быстро расширяют свою активность па возросших запасах органических веществ. В результате скорость потребления кислорода разлагающими бактериями легко может превысить скорость продуцирования кислорода водорослями (а также скорость его поступления из атмосферы), содержание кислорода в воде приблизится к нулю и система погибнет. Таким образом, скорости отдельных процессов цикла соответствуют естественному равновесию, которое достигается и поддерживается лишь при условии отсутствия внешних вмешательств в систему. Когда в цикл вторгается новый фактор, он не контролируется внутренними самоуправляемыми связями и представляет угрозу для стабильности всей системы.

Экосистемы имеют значительные различия в своих динамических характеристиках и, следовательно, в скоростях, с которыми они реагируют на внешние изменения или движутся к катастрофе. Например, водные экосистемы отличаются более быстрыми кругооборотами, чем почвенные. Так, один ар густо населенной прибрежной полосы моря или ар рыбохозяйственного пруда дает за год приблизительно в 7 раз больше органического вещества, чем ар живы, занятый люцерной. Медленный оборот почвенного цикла объясняется довольно низкой скоростью одного из множества составляющих его звеньев — высвобождения питательных веществ из почвенных запасов органических веществ; этот процесс намного медленнее, чем соответствующий процесс в водных системах.

Величина нагрузки, которую может выдержать экосистема, также есть результат различных ее внутренних взаимосвязей и относительных скоростей реакции на внешние воздействия. Чем сложнее экосистема, тем большие нагрузки она способна выдержать. Вернемся к системе кролики — рыси: если бы рыси имели другой вид пищи, то они пережили бы внезапное исчезновение кроликов. Таким образом, ответвление, открывая альтернативные пути, повышает устойчивость экосистемы к нагрузкам. Большинство экосистем настолько сложны, что их циклы представляют собой не просто круги, а пересекающиеся разветвления, походящие на паутину. Подобно сети, каждый узел которой связан с другими несколькими нитями, наша система более устойчива, чем простой, «не ветвистый» круг нитей, который достаточно разрезать в любом месте, для того чтобы разрушить все сразу. Загрязнение окружающей среды служит сигналом того, что экологические петли где-то разрезаны и, следовательно, система значительно упростилась, став, таким образом, более чувствительной к нагрузкам и ближе к гибели.

Обратные связи в экосистемах часто приводят к усилению важнейших процессов. Например, тот факт, что в пищевых цепочках мелкие организмы поедаются более крупными, а те, в свою очередь, — еще большими, неизбежно приводит к концентрированию определенных элементов окружающей среды в тканях организмов, находящихся в вершине пищевой пирамиды. Для всех мелких организмов характерна более высокая скорость метаболизма, чем у крупных, поэтому количество окисляющейся пищи по отношению к массе тела у них больше. Следовательно, животные, находящиеся в вершине пищевой пирамиды, зависят от потребления значительно большей массы организмов, находящихся в основании пирамиды. Поэтому всякое вещество, которое не участвует в метаболизме, но содержится в организмах нижних звеньев пищевой цепочки, будет накапливаться в тканях представителей верхнего звена. Так, если принять концентрацию ДДТ (который практически не участвует в метаболизме) в почве за единицу, то концентрация его в организме земляного червя составит 10—40 единиц, а в организме глухаря, питающегося земляным червем, — 200 единиц.

Все это следует из простого факта: все связано со всем. Система стабилизируется благодаря своим динамическим самокомпенсирующим свойствам; эти же свойства под влиянием внешних перегрузок могут привести к драматической развязке; сложность экологической системы и скорость ее кругооборота определяют степень нагрузки, которую она может выдержать; экологическая сеть подобна усилителю: небольшой сдвиг в одном месте может вызвать отдаленные, значительные и долговременные последствия.

Дата добавления: 2015-10-16