Лекции для студентов

Курс лекций по “Общей экологии”. Часть 3

Понятие о причинных связях

Взаимодействие между элементами систе­мы может иметь различную природу и вы­ражаться разными функциями.

Эти взаимодействия характеризуются Обратными связями. Существуют обратные связи с различным знаком действия — положительные и отрицательные. Элементы и подсистемы, связанные положительной обратной связью, склонны, если их не ограничивают другие связи, взаимно усиливать друг друга, создавая неустойчивость в системе.

Например, повышение температуры на Земле ведёт к таянию полярных и горных льдов, уменьшению альбедо и поглощению большого количества поступающей от Солнца. энергии. Это вызывает дальнейшее повышение температуры, ускоренное сокращение площади ледников — отражение солнечной энергии и т. д. Если бы не другие факторы, Земля бы существовала только либо как ледяная, либо как раскалённая, наподобие Венеры, безжизненная планета.

Отрицательные обратные связи обеспечивают способность систем к стабилизации состояния. Поэтому численность хищника, отрицательно действует на численность жертвы, стабилизирует её и, значит, себя самоё, хотя связь хищник — жертва имеет положительный знак: увеличение численности жертвы позволяет хищнику также увеличить численность

Сочетание отрицательных и положительных связей в ряде случаев создаёт в системах колебательные режимы.

Причинные связи

Среди форм отношений между элементами различных систем в жи­вой природе и человеческом обществе одно из главных мест занимают парные взаимодействия, которые обобщенно могут быть обозначены как «ресурс 1 потребитель ресурса». В природе потребление растением минераль­ных питательных веществ из почвы и воздуха, поедание травы травояд­ным животным, отношения хищника и его жертвы, паразитизм и т. п. Взаимодействия в каждой из таких пар можно представить в виде контура обратных связей. Классическим примером такого контура может быть модель взаимовлияния численности особей в популяциях хищника (Х) и его жертвы (Ж).

Чем больше численность жертвы, тем больше пищи для хищника и тем больше его численность при прочих равных условиях (положительная прямая связь). Но чем больше хищников, тем больше они уничтожают жертв, таким образом, численность жертв уменьшается (отрицательная обратная связь).

В целом контур имеет отрицательный знак («плюс и минус дают минус»). Это означает, что система авторегуляторна, т.е. способна сама себя поддерживать, хотя и колеблется около ка­кого-то более или менее стабильного соотношения численностей.

Рассмотрим поведение более сложного контура.

Такая система может стабильно функционировать длительное время. Умеренное возмущение гасится в ней авторегуляторным, взаимодействием всех элементов системы с использованием меха­низма обратных связей. Допустим, например, что под влиянием повышенной температуры или попадания в водоем удобрений уси­лилось развитие фитопланктона и водных растений. Это приводит к уменьшению запаса минеральных веществ и росту биомассы животных — от зоопланктона до рыб. Повышенное выедание планктона через какое-то время ограничивает этот рост. Увеличение биомассы обитателей водоема ведет к нарастанию массы детрита. Будучи пищей для бактерий, детрит обусловливает их усиленное размножение. Ускоряются деструкция органики и разложение ее до минеральных продуктов. Цикл замыкается, и восстанавливаются прежние соотношения между звеньями пищевой цепи.

Если же внешнее возмущение слишком велико (например, в во­доем попадает избыточное количество биогенных элементов — со­единений азота и фосфора), то происходит эвтрофирование, т.е. «перекармливание», водоема. В этом случае бурное развитие фитопланктона и водных растений (так называемое «цветение» водоема) нарушает авторегуляцию: гниение большой массы отмерших растений отравляет воду, в ней резко падает содержание кислорода, наступают заморные явления, ­погибают многие беспозвоночные и рыбы. Наиболее негативную роль при этом играют сине-зеленые водоросли.

Необходимо подчеркнуть исключительное значение отрица­тельных обратных связей и отрицательных контуров для любых сис­тем, в. которых осуществляется регуляция. Отрицательная обратная связь является главным элементом любого регулятора в технике. На принципе отрицательной обратной связи построены все механизмы регуляции физиологических функций организма и поддержания по­стоянства внутренней среды и внутренних взаимосвязей, т.е. гом.ео­стаз любой авторегуляторной системы. Все без исключения экологи­ческие системы включают контуры отрицательных обратных связей.

В отличие от них контуры положительных обратных связей не только не способствуют регуляции, а напротив, генерируют деста­билизацию системы, приводя ее либо к угнетению и гибели, либо к ускоренному росту, за которым, как правило, опять же следуют срыв и разрушение системы. Так, наращивая производство и при­менение пестицидов, мы через какое-то время сталкиваемся с по­вышением устойчивости вредителей к ядам и их усиленным раз­множением из-за того, что оказались отравленными их естествен­ные враги в природе — птицы. Приходится разрабатывать новые препараты и снова увеличивать их производство, хотя ясно, что по­беда может быть только временной. (3)

Система «природа человек»

Для понимания глобальных экологических проблем важна модель взаимодействий между человеческим обществом и окру­жающей живой природой, между биосферой и созданной человеком техносферой. Сначала возьмем «простой» контур взаимодействий «природа — человек»:

П Ч

Данная система, по существу, не отличается от пары «ресурс ­ — эксплуататор» или «хищник — жертва» Будучи системой с отрицательной обратной связью, она может функциони­ровать, как самоподдерживающаяся, авторегуляторная система. Но на самом деле в настоящее время эта система неравновесна и неустойчи­ва: сильная отрицательная обратная связь «П^--!Ч» не уравновешива­ется слабой положительной прямой связью «П"⁺Ч». Человек (экс­плуататор) ведет себя так, как будто почти не испытывает ограничений и сопротивления со стороны природы (жертвы, ресурса). В основном потому, условно говоря, что объем, масса П (природы) намного боль­ше, а активность, сопротивление меньше, и убежать некуда

Необходимо стабильное сосуществование человека с природой, хотя в принципе не исключен и другой исход, так как в настоящее время имеет место лишь начальная фаза кризиса. Недаром часто говорят о сопряженном угне­тении и гибели природы и цивилизации.

Система «ЧЭБС»

Все классы систем материаль­ного мира Земли замкнуты в одну динамическую суперсистему: «чело­век — экономика — биота — среда» — ЧЭБС. Это глобальная эколого-экономическая система, главный объект макроэкологии.

Двусторонняя связь «человек — экономика», как уже отмечено, обладает признаками контура с положительной обратной связью. В связях между экономикой и биотой биосферы сильно превалирует отрицательное воздействие «экономика"^--биота», поскольку экономика выступает в этой свя­зи исключительно как потребитель и нарушитель, а биота как ресурс обладает конечным, хотя и большим объемом и до некоторых пределов пассивна по отношению к экономике. Осуществляемые человеком восстановительные усилия и возврат веществ, которые могут быть использованы в природном круговороте, ничтожны по сравнению с объемами изъятия и порчи природных ресурсов.

Такой же характер имеет и связь «экономика"^--среда». Отличие заключается в ином соотношении объемов «порчи» и «изъятия». Способность живой природы формировать и регулировать среду отражена в модели положительной связью «биота "⁺среда», а лимитирующее действие среды — связью «среда"^--биота». Поскольку благополучие человека существенно зависит от состояния среды, связь «среда"+человек» прак­тически односторонняя и положительная, но пока еще не так замет­но, как в природе, лимитируется ресурсами и факторами среды.

В целом система ЧЭБС обладает свойствами контура с отрицательной обратной связью и должна быть способна к авторегуляции.

Видимое благополучие человечества обусловлено двумя положи­тельными связями: Э"⁺Ч и Ч⁺!С, причем сами люди отдают явное предпочтение первой из них — получению произведенных цен­ностей. Поскольку число людей Ч и их потребности растут, то уве­личивается и продукция экономики Э. Это увеличение до сих пор происходит намного быстрее, чем растет коэффициент полезного действия экономики, т.е. отношение количества произведен­

ной пользы (ценностей) к количеству использованных для этого веществ и энергии. Следовательно, рост экономики сопровождается увеличением его вредного действия — негативным техногенным дав­лением на природу и окружающую среду, а через них и на челове­ка. Поэтому благополучие людей, обусловленное развитием эконо­мики, это в определенной степени кажущееся благополучие. Оно в действительности намного меньше, чем мы привыкли себе пред­ставлять.

Способность системы ЧЭБС к авторегуляции и стабилизации осно­вана на объективных законах природы Она отвечает свойствам природ­ных систем, обеспечивает их устойчивость. Но эта способность не уст­раивает человека, так как он не любит ограничивать себя. Он обрел не­бывалую для живых существ потребительскую мощь и привык «поко­рять» природу, брать от нее все больше, не считаясь с ее сопротивлени­ем и ответными ударами. Поэтому сейчас система пребывает в неустойчивом состоянии. Но это временное явление. Система не может нахо­диться в подобном состоянии сколь угодно долго. И совсем не потому, что люди пытаются реализовать идею «устойчивого развития».