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 кибер-

нетики. 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 необ-

ходимо 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 ООО 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 почвен-

ных 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.

ВТОРОЙ ЗАКОН ЭКОЛОГИИ:

Дата добавления: 2015-10-16