Повна версія

Головна arrow Екологія arrow Екосистемологія

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

Екосистемологія: об'єкт, предмет, методи і закони

Хоча концепцію екосистеми широко використовували для вирішення різноманітних локальних, регіональних і глобальних виробничих проблем (підвищення продуктивності сільськогосподарських і лісових угідь, ефективного використання природних ресурсів, охорони природи тощо), а конкретні екосистеми були предметом різноманітних фундаментальних досліджень, до сьогодні не сформований розділ екології, об'єктом пізнання котрого була б екосистема. Не спричинилися до цього ні теоретичні узагальнення щодо екосистемного рівня організації живого, ні реалізація численних глобальних проектів з питань раціонального природокористування, охорони материкових і морських екосистем, атмосфери чи біосфери загалом. Уживані в літературі назви “екологія екосистем '' (Одум, 1986) і “біогеоценологія (Сукачев, 1964; Номоконов, 1989) є недостатніми, а зарахування вчення про екосистеми до синекології - недоречне.

Незважаючи на те, що поняття про екосистему сформульоване майже сім десятиліть тому, що майже півстоліття тому Берталанфі та інші дослідники опрацювали теорію систем і стільки ж часу розвивається “новий кількісний напрямок - екологія екосистем ” (Одум, 1986), ще й дотепер існують сумніви щодо того, чи екосистеми підпорядковуються законам існування цілісних систем і чи їм властиві риси самоорганізації і саморегуляції.

На підставі багаторічних досліджень карпатських екосистем ще двадцять років тому ми розвинули теорію Ю.Одума про екосистемний рівень організації живого (Голубець, 1977). Після додаткового аналізу особливостей самоорганізації, самозбереження і саморегуляції біотичних систем ми розкрили механізми саморегуляції екосистем, передовсім, кібернетичну суть їх пам'яті, регулятора, прямих і зворотних зв'язків (Голубець, 1978, 1982), а згодом опублікували додаткові матеріали про структуру та еволюцію біосфери (Голубець, 1997а). Це дало змогу підійти до обґрунтування екосистемології як науки.

Щоби мати об'єктивну підставу для визнання тієї чи іншої сукупності знань наукою, потрібно довести, передовсім, оригінальність її об'єкта, предмета, методів досліджень, наявність нових закономірностей і законів їх існування. Поряд з цим ця галузь знань повинна мати свій термінологічний апарат і певне світоглядне значення. Проаналізуємо кожну з цих основних рис зокрема.

Об'єкт екосистемології. На відміну від інших розділів екології об'єктом екосистемології є екосистеми усіх розмірів і ступенів складності - від консортивної до біосферної, тобто живі системи, в котрих сукупність живих істот й абіотичне середовище їх існування творять функціональну єдність. Живий блок екосистеми без свого середовища не може існувати. Лише завдяки цій єдності в екосистемі відбуваються ті біотичні процеси, котрих не може реалізувати жодна із систем організмового і популяційного рівнів організації, передовсім біотичний кругообіг, енергетичний обмін, накопичення вільної енергії, саморегуляція і самозбереження.

Предметом екосистемології є вивчення:

морфологічної структури екосистем, тобто вертикальної (ярусність, синузіальність, шаруватість) і горизонтальної (мозаїчність, парцелярність) будови біогеоценотичної товщі (рослинного вкриття, ґрунту чи води, насичених тваринними, мікробними і грибковими організмами);

взаємозв'язків між структурними компонентами (блоками, підсистемами) екосистем (залежно від потреб - морфологічними, трофічними та іншими);

функціональних показників екосистеми та її окремих структурних блоків (енергетичних, водотрансформаційних, організаційних, біогеохімічних, середовищетвірних, біопродукційних, захисних, оздоровчих, естетичних та інших), швидкості екологічних процесів, їх спрямованості, тривалості й господарської ефективності;

особливостей і механізмів самоорганізації, саморегуляції і самозбереження екосистем, їх внутрішнього речовинно-енергетичного та інформаційного обміну, показників неентропійності, стійкості щодо зовнішніх природних та антропогенних чинників, стабільності існування в часі та просторі;

міжекосистемний взаємозв'язків і міжекосистемного речовинно- енергетичного та інформаційного обміну як основи стійкості й стабільності мегаекосистем і біосфери;

можливостей і розмірів використання природних ресурсів екосистем для народногосподарських потреб без зменшення або руйнування їх екологічного потенціалу та з цілеспрямованою орієнтацією на реалізацію ідей сталого розвитку;

масштабів і наслідків антропогенних змін у структурно-функціональній організації екосистем, способів ренатуралізації трансформованих і девастованих екосистем з метою оптимізації біогеоценотичного покриву;

структурно-функціональних особливостей та ефективних способів створення штучних (аграрних, лісових, водних, урбаністичних та інших) екосистем й ефективного підтримання їх функцій;

теоретичне обґрунтування структури, програми, методів і параметрів екологічного моніторингу в екосистемах різних ступенів організації;

генезису та історії розвитку екосистем;

моделювання та прогнозування екологічних процесів.

Залежно від наукових і прикладних потреб, обсяг цих питань можна значно розширити, звузити чи деталізувати.

Методи екосистемології. З огляду на те, що екосистеми належать до категорії дуже складних систем, а їх структурними компонентами є безліч живих істот (рослинних, тваринних, мікробних), їх історичні, просторові, трофічні та інші сукупності, атмосферне, ґрунтове і водне середовища їх існування, екосистемологія вимушена використовувати методи досліджень різних суміжних галузей знань: палеонтології, географії, картографії, кліматології, метеорології, гідрології, ґрунтознавства, геохімії, ботаніки, зоології, мікробіології, мікології, фізіології, математики, кібернетики та інших. Вона використовує також загальнонаукові методи структурного, системного і функціонального аналізів, але має й свій суто специфічний методичний апарат для вивчення вертикальної (біогеогоризонтної) і парцелярної будови, трофічної структури, енергетичного і біогеохімічного обміну, біопродукційних і трансформаційних процесів, міжекосистемних зв'язків, екологічної ємкості, потенційних можливостей, толерантності, стійкості, стабільності, регенераційної здатності екосистем та інших, частина яких (методів) може технологічно включати методичні засоби інших галузей знань (Программа и методика.., 1974; Одум, 1986 та ін.).

Закони екосистемології. М.Ф.Реймерс (1994) нарахував понад ЗО “екологічних законів ”, принципів і правил, які відображають об'єктивну дійсність будови, функціонування, еволюції й динаміки екосистем тощо. Але й цим числом не охоплено всієї їх кількості, сформульованих для систем аналізованого класу й названих у працях відомих екологів (Одум, 1986; Вернадский, 1989; Реймерс, 1994 та ін.). Я.І.Бедрій та ін. (1999) нараховує їх 64. Є й певна кількість загальноприродничих і загально біологічних законів, суть яких істотно збагачується в разі їх застосування до екосистемного рівня організації.

Закон спрямованості потоку енергії (за. визначенням Ю.Одума, закон однобокого потоку енергії та кругообігу речовин): енергія, яку одержує екосистема і засвоюють продуценти, розсіюється або разом з їх фітомасою передасться копсументам першого, другого і наступних порядків аж до редуцентів із зменшенням потоку на кожному трофічному рівні внаслідок процесів, що супроводжують дихання. Односпрямованість потоку енергії зумовлює й односпрямований біотичний кругообіг речовин, захоплених з абіотичного середовища в процесі синтезу органічної речовини. Цей закон тісно пов'язаний із законами термодинаміки та ентропії живих систем. Зокрема, другий закон термодинаміки у формулюванні Ю.Одума (1975, с.52) звучить: “процеси, пов'язані з перетворенням енергії, можуть відбуватися спонтанно лише за умови, що енергія переходить з концентрованої форми V розсіяну. Стосовно екосистеми це може звучати так: оскільки деяка частина енергії розсіюється у вигляді недоступної для використання теплової енергії, ефективність спонтанного перетворення кінетичної енергії попереднього трофічного рівня у потенційну енергію наступного рівня завжди менша за 100%.

За В.І.Вернадським (1989, с.17), “після смерті організму, стійкі в термодинамічному полі живої речовини сполуки, потрапляючи у термодинамічне поле біосфери (тобто зі ступеня біоценозної на ступінь екосистемної організації - М.Г.), виявляються в ньому нестійкими і є джерелом вільної енергії. Іншими словами, так само, як й інші живі істоти, екосистема характеризується від'ємною ентропією, або неентропією (Енциклопедія.., с.333). Ентропія живих систем завжди є менша від ентропії їх абіотичного середовища. Вільна енергія живих систем, у тому числі й екосистем, використовується для “підтримання високого ступеня упорядкованості, тобто стану з низькою ентропією... Система характеризується низькою ентропією, якщо в ній відбувається безперервне розсіювання легко використовуваної енергії (наприклад, енергії світла або поживи) і перетворення її в енергію важковикористовувану (наприклад, теплову). Упорядкованість екосистеми, тобто складна структура біомаси, підтримується за рахунок дихання цілого угруповання, яке ніби “відкачує з угруповання не упорядкованість"" (Одум, 1975, с.52).

Закон внутрішньої динамічної рівноваги, сформульований М.Ф.Реймерсом (1994). Його суть полягає в тому, що “речовина, енергія, інформація та динамічні якості екосистеми взаємопов'язані настільки, що будь-яка зміна цих показників тягне за собою структурно-функціональні, кількісні та якісні зміни інших показників, але не зумовлює речовинно-енергетичної, інформаційної чи динамічної розбалансованості цих систем, тобто вони повертаються до нової внутрішньої динамічної рівноваги. На практиці цей закон проявляється таким чином, що:

будь-які зміни середовища екосистеми неминуче призводять до розвитку природних ланцюгових реакцій, спрямованих у бік нейтралізації цих змін або формування нових внутрішньо зрівноважених екосистем;

взаємодія структурно-функціональних компонентів екосистеми не є лінійною, у зв'язку з чим, слабкі зміни одного з них можуть зумовити великі відхилення інших або й перебудову цілої системи (наприклад, мале відхилення у вмісті СО, в атмосфері спричиняє парниковий ефект і докорінну зміну біоти);

будь-які місцеві зміни природи зумовлюють відповідні реакції у великих підсистемах біосфери і в біосфері загалом, але не спричиняють відчутних змін еколого-економічного потенціалу, оскільки він обмежений термодинамічною (тепловою) стійкістю природних екосистем.

З цим законом тісно пов'язаний закон екологічної кореляції: в екосистемі, як і в будь-якому іншому цілісному природно-системному утворі з участю живого, всі її живі та абіотичні компоненти функціонально відповідають одні одним. Втрата одного елемента системи, наприклад виду, неминуче спричиняє зникнення всіх тісно пов'язаних з ним елементів і функціональні зміни цілої системи в межах її внутрішньої динамічної рівноваги. Так само, ні одна екосистема не може самостійно існувати, якщо в ній штучно створено або знаходиться в стані перманентного надлишку чи недостатку один з екологічних компонентів. “Нормою екологічного компонента слід уважати ту, котра забезпечує екологічну, еволюційна сформовану динамічну рівновагу цієї екосистеми і відповідає балансові в природній надсистемі й цілій ієрархії природних систем на даній одиниці простору (Реймерс, 1994, с. 121 -122).

Закон послідовності фаз розвитку відображає те, що фази розвитку природної екосистеми можуть наставати лише в еволюційна, історично, біохімічно та фізіологічно закришеному порядку, переважно від відносно простого до складного і без випадання проміжних етапів, з можливим їх дуже швидким перебігом. Прикладом можуть служити сингенезні зміни на лісовій ділянці після вирубування лісостану, лісової пожежі або заростання свіжих алювіальних відкладів. А коли екосистеми в процесі сингенезного розвитку наближаються до клімаксового стану, тобто їх розвиток переходить у фазу ендогенезу, починає діяти закон сукцесійного сповільнення, а саме: “процеси, що відбуваються в зрілих, зрівноважених, усталених екосистемах, проявляють тенденцію до зниження темпів, тобто саморозвиток відбувається в стабілізованих клімсіксових межах ” (Реймерс, 1994, с. 124; Одум, 1986, с.324-327). Прикладом цього закону є існування віками гірськососнових криволісь у високогір'ї Українських Карпат, чистих букових лісів на їх південно-західних схилах чи мішаних ялицево-буково-смерекових - на північно-східних схилах Горгани і Чорногори.

Закон еволюційно-екологічної незворотності своїм нормативним змістом поєднаний із законами внутрішньої динамічної рівноваги та екологічної кореляції. Згідно з ним, екосистема, яка втратила частину своїх елементів або замінена іншою екосистемою внаслідок дисбалансу екологічних компонентів, тобто в якій втрачені старі, а натомість виникли нові функціональні зв'язки і сформована нова припасованість видів - нова кібернетична пам'ять, не може повернутися до свого первинного стану в процесі природної сукцесії. Цей закон фактично відображає загальну спрямованість біотичної еволюції і підтверджується незворотними її наслідками від архею до наших днів (Голубець, 1997а).

Особливим екологічним “пакетом законів є закон мінімуму Лібіха, конкурентного виключення Гаузе і закон толерантності Шелфорда ("Одум, 1975; Рифлекс, 1979). Перший з них визначає, що, за “стаціонарного стану '' системи, лімітуючого буде та речовина, доступна кількість якої найближча до необхідного мінімуму, або лімітуючим слід уважати той фактор, відносно мінімальні зміни котрого забезпечують досягнення заданої (достатньо малої) відносної зміни функції (наприклад, фосфору чи мікроелементів у ґрунті). Другий закон засвідчує, що два види не можуть спільно існувати, якщо вони залежать від одного і того ж лімітного для них ресурсу, а третій стверджує, що для організмів характерні як екологічні мінімуми, так й екологічні максимуми, а діапазон між ними є показником толерантності (витривалості) щодо того чи іншого фактора. Застосування пакета цих законів дозволяє глибше зрозуміти дію законів внутрішньої динамічної рівноваги та екологічної кореляції.

Поряд з названими, заслуговують на увагу чотири закони екодинаміки Ю.Голдсмита (Goldsmith, 1981). Перший з них - закон збереження інформаційної та соматичної структури біосфери. Згідно з М.Ф.Реймерсом (1994), він співзвучний із законом фізико-хімічної єдності і постійної кількості живої речовини В.І.Вернадского. Другий закон екодинаміки визначає нормою - стремління до клімаксу, підсилює закони послідовності фаз розвитку і сукцесійного сповільнення на стадії ендогенезу екосистем. Третім є закон екологічного порядку, або екологічного мутуалізму , названий М.Ф.Реймерсом (1994) “законом упорядкованості заповнення простору і просторово-часової визначеності: “заповнення простору всередині природної системи через взаємодію між її підсистемами впорядковане таким чином, що дозволяє реалізовуватися гомеостатичним властивостям системи з мінімальними суперечностями міліє її частинами (с. 130). Згідно з цим законом, будь-який випадково чи штучно внесений людиною в систему чужий компонент буде елімінований нею, або на підтримання його існування в системі будуть потрібні додаткові енергетичні засоби.

Четвертий закон Ю.Голдсмита - це закон самоконтролю і саморегуляції живого, який констатує, що живі системи здатні до самоконтролю і саморегулювання в процесі їх адаптації до змін в навколишньому природному середовищі. Самоконтроль і саморегуляція забезпечуються в процесі боротьби за існування, природного добору, адаптації систем і підсистем, широкої коеволюції, а також самопідтримання і самоформування системою свого внутрішнього абіотичного середовища (Реймерс, 1994).

Низку законів, пов'язаних з функціонуванням живої речовини і біосфери, запропонував В.І. Вернадський. Інші були сформульовані на підставі його вчення про біосферу. Це, зокрема, закон біогенної міграції атомів, згідно з яким, міграція хімічних елементів у біосфері відбувається за безпосередньої участі живої речовини, або вона протікає в середовищі, геохімічні особливості котрого зумовлені живою речовиною, як тією що тепер існує в біосфері, теж і тією, що діяла на Землі протягом геологічної історії. Це також - закон константності живої речовини, яким визначено, що кількість живої речовини біосфери для певного геологічного періоду є константною. Він, згідно з М.Ф.Реймерсом (1994), є кількісним наслідком закону внутрішньої динамічної рівноваги в масштабах глобальної екосистеми - біосфери. Зрозуміло, що оскільки жива речовина, відповідно до закону біогенної міграції атомів є енергетичним посередником між Сонцем і Землею, то або її кількість повинна бути постійною, або повинні змінюватися її енергетичні характеристики. Закон же фізико- хімічної єдності живої речовини виключає значні коливання останніх. Тому кількісна стабільність живої речовини є неминучою. Це робить закон константності живої речовини співзвучним із законом збереження структури біосфери Ю.Голдсмита.

Велике теоретичне і практичне значення мають закони В.І.Вернадського про розтікання життя чи рух живих організмів шляхом розмноження, тиск життя, моноліт життя і бережливість життя. Згідно з першим, “розтікання розмноженням у біосфері є одним з найхарактерніших і найважливіших проявів механізму земної кори.., формою охоплення енергією життя цілого простору біосфери.., рухом, що виражається повсюдністю життя, проявом його внутрішньої енергії, витвореної його хімічною роботою.., воно неухильно і незмінно триває без перерви і без сповільнення мільярди років - весь час здійснюючи величезну геохімічну роботу, будучи формою проникнення енергії сонячного променя в нашу планету та її розподілу по земній поверхні ” (Вернадский, 1989, с. 26-27). Наслідком цього розтікання є постійний “тиск життя і заповнення ним усіх природних чи створених людиною азойних ділянок. Для стримування тиску життя на вивільнені від нього “цивілізовані ділянки земної поверхні людина повинна витрачати відповідну силу й енергію.

З попередніми законами тісно пов'язані закони монолітності й бережливості життя. Перший з них гласить, що світ організмів біосфери творить єдиний моноліт життя як складну організованість, частини котрої (автотрофи, гетеротрофи, міксотрофи) виконують функції, що взаємно доповнюють одна одну і сприяють одна одній (Вернадский, 1980, с.234). Другий - узагальнює явище бережливості у використанні живою речовиною простих хімічних речовин, включених до його складу. Атоми, які ввійшли в будь-яку форму живої речовини, будь-яким чином захоплені життєвим або з великими труднощами, або зовсім не повертаються до мертвої матерії біосфери: мікроби, паразити, симбіонти, сапробіонти негайно знову повертають до складу живої речовини тільки що виділені відходи життя. За висловом К.М . фон Бера, “життя бережливе в своєму витрачанні захопленої речовини, з труднощами і небажанням віддає її назад (Вернадский, 1989, с.53).

Наслідки наших досліджень й аналіз низки наведених законів переконали нас в обґрунтованості ще одного фундаментального закону генетико-інформаційної єдності життя: пам'ять систем усіх рівнів організації живого є генетичною; на організмовому рівні її роль виконує генотип, на популяційному - генофонд (функціональна сукупність генотипів особин, що знаходяться в її складі), на екосистемному - генопласт (функціональне поєднання генофондів усіх популяцій і генотипів усіх організмів, що входять до складу екосистеми, тобто ієрархічне поєднання регуляторів систем популяційного та організмового рівнів організації). Пам'ять живих систем також виконує функцію їх кібернетичного регулятора, тобто є тим головним структурним блоком саморегульованих систем, який, поряд з еталонною системою, каналами прямого і зворотного зв'язку між регулятором і керованою системою, забезпечує ефект їх саморегулювання (Голубець, 1982).

Ще одним базовим законом екосистемології є закон природної зональності, або закон широтної і висотної зональності клімату, ґрунтів, рослинності і тваринного світу, загалом - зонального розподілу екосистем. Його основоположником є В.В.Докучаєв.

До аналізованої категорії законів зараховують також екологічні закони Б.Коммонера (1974):

  • 1) усе пов'язане з усім,
  • 2) все повинно кудись діватися,
  • 3) природа знає краще,
  • 4) ніщо не дається задарма.

Можна було б перераховувати ще чимало законів, принципів і правил, які відображають загальну фундаментальну посутність екосистемології та взаємозалежність і взаємозумовленість структурно-функціональних перетворень в об'єктах досліджень цієї галузі знань. Проте, здається, що й наведений перелік є достатнім для того, щоби переконатися, що й за цією ознакою (наявності законів) екосистемологія має підстави на існування як окремий розділ екології, як наука про структурно-функціональну організацію екосистем, їх еволюцію, природну й антропогенну динаміку, суспільно-корисні властивості та можливості їх розумного використання для потреб людства.

Численні наукові праці, підручники і методичні посібники, весь викладений матеріал свідчать також про те, що екосистемологія має достатньо розвинений понятійний апарат, систему спеціальних термінів, невластивих іншим галузям знань. Поряд з чітко визначеними об'єктами, предметом, методиками і закономірностями існування цих об'єктів, це підтверджує її актуальність, оригінальність і самостійність. Її світоглядне значення відображене в численних фундаментальних і прикладних публікаціях (Вернадский, 1967, 1977; Риклефс, 1979; Рамад, 1981; Одум, 1986; Программа действий.., 1993; Голубець, 1982, 1997а, 19976).

 
<<   ЗМІСТ   >>