Основи екології - Олійник Я.Б. - 4.7. Основні закони біосферного розвитку

Закони природничих наук (біології, фізики, хімії тощо) не можна порушити чи скасувати, тому лише головні здобутки природничих наук мають повне право називатися законами. Закон - це внутрішній та необхідний, всебічний та істотний зв'язок предметів і явищ об'єктивної дійсності; те стійке, що повторюється, не так часто змінюється, ідентичне у явищі. Закони екології також належать до природничих, їх не можна змінити чи скасувати. Основними характерними рисами закону вважають: об'єктивність (тобто незалежність від волі та свідомості людей); необхідність; обов'язковість вияву (за наявності необхідних для закону умов); автономність - відносна незалежність законів один від одного (жоден закон не скасовує інший).

4.7.1. Загальні закони екології

Серед загальних законів сучасної екології слід насамперед назвати закон збереження маси: у процесах життєдіяльності, які супроводжуються різноманітними хімічними реакціями, маса початкових і кінцевих речовин однакова, кількість атомів хімічних елементів залишається сталою. Для будь-яких процесів у живій та неживій природі без порушень чи винятків виконується закон збереження енергії: під час довільних фізичних, хімічних чи інших перетворень речовини у замкнених системах сума всіх видів енергії лишається сталою. Це формулювання беззастережно виконується лише для замкнених систем, до яких не належать ні живі організми, ні Земля.

Впливовим, але складним у практичному застосуванні є закон оптимальності, який стосується ефективності діяльності як окремої особини, так і їх сукупностей (популяцій), а також ще складніших біологічних систем. За цим законом, будь-яка система (від бактерії чи рослини аж до величезного лану) з максимальною ефективністю діє (функціонує) у певних просторових і часових межах, за певних її розмірів та інших характеристик. Іншими словами, параметри системи завжди чітко відповідають її функціям. Жодна система не може звужуватися або розширюватися до нескінченності. Жоден цілісний організм не може перевищити певних критичних розмірів, які забезпечують підтримку його енергетики. Ці розміри залежать від умов живлення та факторів існування.

Спроби людини у будь-який спосіб не зважати на закон оптимальності мають дуже негативні наслідки. Прикладом є безліч невдалих спроб створити величезні плантації, поля чи лісові насадження із однієї культури. Такі "системи-гіганти" дуже нестійкі. Але є й чимало прикладів того, як усю територію вміло ділять на невеликі фрагменти, на котрих висаджують ті рослини, які у певних умовах можуть забезпечити максимум біопродуктивності.

Закон оптимальності зумовлює правило Бергмана: у межах біологічного виду, який поширений від тропіків до Полярного кола, маса і розміри особин зростають під час переходу від дуже теплих зон життя до дуже холодних. Відомими прикладами є пінгвіни, крячки та інші птахи, ведмеді, дельфіни тощо. Іншим висновком із цього закону є правило Аллена: придатки до тіла тварини (вуха, хвости, лапи) відносно тим менші, чим нижча температура оточення. Так, вуха у пустельної лисиці набагато більші від вух лисиць нашого регіону. Зовсім короткі вуха і хвіст мають песці, які живуть за умов сильних морозів сибірської і канадської тундри.

Дуже важливим є закон обмеженості ресурсів, або іншими словами - "на всіх не вистачить". У природі діє правило: маса поживних речовин для всіх форм життя на Землі є кінцевою та обмеженою. Природні ресурси нашої планети не є невичерпними; планета - це природно обмежене ціле, і на ній не може бути нескінченних природних ресурсів. Така позиція стає джерелом усіх форм конкуренції і антагонізму як у природі, так і у суспільстві. Різниця полягає у тому, що в природі внаслідок конкурентної боротьби залишаються найсильніші, а в людському суспільстві - на жаль, навпаки.

Отже, уявлення про наявність на Землі невичерпних ресурсів помилкове. Так, в Україні ресурси прісної води вичерпані майже повністю, а велика їх кількість у Бразилії чи Заїрі українців не дуже втішає. Очевидно, забруднення повітря теж рано чи пізно вичерпає можливості його природного самоочищення. Теоретичні дослідження енергетичного балансу біосфери і Землі свідчать, що без порушення наявної рівноваги у довкіллі не можна вилучати чи долучати більше 1 % усієї енергії, що входить в енергетичний потік біосфери (правило 1 %, яке деякі дослідники вважають окремим законом). Це означає, що:

- навіть оволодіння енергією синтезу гелію з дейтерію чи транспортування з навколоземних станцій додаткової електроенергії не зроблять енергетичні ресурси людства безмежними;

- енергетичне обмеження робить абсолютно неможливим реалізацію сподівання людства поєднати збільшення власної чисельності з одночасним підвищенням якості життя;

- для порятунку людей і стабілізації біосфери на тривалий час необхідне негайне припинення "демографічного вибуху" (а краще - зменшення населення у багатьох країнах) і свідоме обмеження потреб кожної особи до розумної межі.

Деякі вчені вважають сонячну енергію майже невичерпною, однак при цьому не беруть до уваги, що значною перепоною для її використання є біосфера, антропогенна зміна якої понад допустиму межу (за "правилом 1 %") може призвести до серйозних і тяжких наслідків: штучне привнесення енергії в біосферу вже досягло значень, близьких до граничних. Зменшення природно-ресурсного потенціалу - в межах однієї суспільно-економічної формації чи способу виробництва - призводить до того, що природні ресурси стають щораз менш доступними і вимагають збільшення затрат праці та енергії на їх добування і транспортування.

Заслуговує на увагу закон рівнозначності умов проживання - всі природні умови середовища, необхідні для життя, відіграють рівнозначну роль. З цього закону слідує інший - закон сукупної дії природних факторів: фізіологічна активність кожної живої істоти залежить не лише від одного (бодай і лімітуючого) фактора, а від повної сукупності всіх екологічних чинників одночасно. Дослідження довели, що ефективність впливу кожного окремого екологічного фактора (його "вага", або коефіцієнт дії) не однакова.

Наприклад, урожайність будь-яких культур залежить не від окремого, нехай навіть дуже важливого, фактора, а від сукупності екологічних факторів; коефіцієнт дії кожного окремого фактора у їх спільному впливові різний і може бути обчислений дослідним шляхом. Досить точно це можна зробити для чинників впливу на врожайність, оскільки крім основних чинників (температура, освітлення, опади, вміст у ґрунті азоту, фосфору і калію), вже враховують і додаткові (наявність поживних мікроелементів, кількість шкідливих сполук тощо).

Закон розвитку екосистем за рахунок їхнього оточення - будь-яка природна екосистема може розвиватися лише за умови використання матеріально-енергетичних та інформаційних можливостей навколишнього середовища; абсолютно ізольований саморозвиток не можливий. Із цього закону випливає декілька дуже важливих наслідків:

- абсолютно безвідходне виробництво не можливе;

- будь-яка високоорганізована біотична система, використовуючи та видозмінюючи своє життєве середовище, є потенційною загрозою для більш високоорганізованих систем (завдяки цьому в біосфері не можливе нове зародження життя, оскільки воно буде знищене організмами більш високоорганізованими, ніж первісні форми живого);

- біосфера Землі як система розвивається не тільки за рахунок ресурсів планети, а й опосередковано, за рахунок і під впливом розвитку космічних систем.

Системогенетичний закон формулюється таким чином: більшість природних систем, зокрема геологічні утворення, особини, біотичні спільноти, екосистеми тощо, в індивідуальному розвитку повторюють у скороченій (узагальненій) формі еволюцію своєї системної структури. Цей закон зумовлює необхідність урахування при управлінні природними процесами закономірного проходження ними проміжних фаз. Наприклад, вирубаний ліс не можна відновити безпосередньо. Його відновлення проходить через декілька фаз: молодняка, жердняка, середньовікового, стиглого та - останньої фази - перестійного лісу. Або інший приклад: ніколи метелик не вилетить з яйця чи з гусені, тільки з лялечки. Цей загальносистемний закон дає змогу прогнозувати майбутній розвиток.

Велике теоретичне й практичне значення мають закони, сформульовані В.І. Вернадським. Це закон про розтікання життя, або рух живих організмів шляхом розмноження: "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 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 випромінювання на нашу планету та її розподілу по земній поверхні".

Наслідком цього розтікання є постійний "тиск життя" і заповнення ним усіх природних чи створених людиною ділянок. Для стримування тиску життя на вивільнені від нього "цивілізовані" ділянки земної поверхні людина повинна витрачати відповідну силу та енергію. Так формулюється ще один закон - про тиск життя.

З попередніми законами тісно пов'язані закон про моноліт життя та закон про бережливість життя. За першим з них, світ організмів біосфери творить єдиний моноліт життя як складну організованість, частини котрої (автотрофи, гетеротрофи) виконують функції, що взаємно доповнюють одна одну і сприяють одна одній. Другий закон узагальнює явище бережливості у використанні живою речовиною простих хімічних речовин, включених до її складу. Атоми, які увійшли у будь-яку фар му живої речовини, захоплені життєвим потоком, або з великими труднощами повертаються, або зовсім не повертаються до мертвої матерії біосфери: мікроби, паразити, симбіонти, сапробіонти негайно знову повертають до живої речовини тільки-що виділені відходи життя. Таким чином, "життя бережливе в своєму витрачанні захопленої речовини, з труднощами і перешкодами віддає її назад".

М.Ф. Реймерс у 1994 р. сформулював закон внутрішньої динамічної рівноваги: потоки речовин, енергії, інформації та сукупність якостей окремих природних систем у їх структурній ієрархії в біосфері взаємопов'язані так тісно, що неможливо суттєво змінити бодай один елемент без переведення загалу у новий стан. Наслідки дії цього закону виявляються у тому, що після будь-яких змін елементів природного середовища (речовинного складу, енергії, інформації, швидкості природних процесів тощо) обов'язково розвиваються ланцюгові реакції для нейтралізації цих змін. Слід зазначити, що незначна зміна одного показника може спричинити сильні відхилення в інших показниках усієї екосистеми.

Зміни у великих екосистемах можуть мати незворотний характер, а будь-які локальні перетворення природи викликають у біосфері планети (тобто в глобальному масштабі) та в її найбільших підрозділах реакції-відповіді, які зумовлюють відносну незмінність еколого-економічного потенціалу. Штучне зростання цього потенціалу обмежене термодинамічною стійкістю природних систем.

Закон внутрішньої динамічної рівноваги - один з найголовніших у природокористуванні. Він допомагає зрозуміти, що у разі незначних втручань у природне середовище його екосистеми здатні саморегулюватися та відновлюватися, але коли ці втручання перевищують певні межі і вже не можуть компенсуватися в ланцюгу ієрархії екосистем (охоплюють, наприклад, цілі річкові або гірські системи), тоді вони призводять до значних порушень енергетичного та біологічного балансів на великих територіях і навіть у всій біосфері.

Величезне практичне значення має закон зниження енергетичної ефективності природокористування, котрий свідчить, що попри всю винахідливість людини (застосування селекції, генної інженерії тощо) з плином часу і поглибленням інтенсифікації сільського господарства доводиться витрачати дедалі більшу і більшу кількість енергії на одиницю виробленої їжі. Допустима межа вже перейдена, і шкідливі наслідки збільшуються щороку. Тобто у процесі одержання корисної продукції з природних систем з часом (в історичному аспекті) на її виготовлення в середньому витрачається дедалі більше енергії - зростають енергетичні витрати на одну людину. Нині витрати енергії на одну людину за добу майже у 60 разів більші, ніж у часи наших предків, які жили кілька тисяч років тому. Збільшення енергетичних витрат не може відбуватися нескінченно; його слід розраховувати та планувати.

Згідно із законом історичної незворотності, розвиток біосфери і людства як цілого не може відбуватися від пізніших фаз до початкових, оскільки загальний процес розвитку односпрямований. Повторюються лише окремі елементи соціальних відносин (наприклад, рабство) або типи господарювання.

Закон еволюційно-екологічної незворотності своїм нормативним змістом поєднаний із законами внутрішньої динамічної рівноваги та екологічної кореляції: 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 пристосованість видів (нова кібернетична пам'ять), не може повернутися до свого первинного стану у процесі природної сукцесії. Цей закон фактично відображає загальну спрямованість біологічної еволюції і підтверджується її незворотними наслідками від архею до наших днів.

Закон екологічної кореляції був сформульований Жоржем Кюв'є і тісно пов'язаний із законом внутрішньої динамічної рівноваги: в екосистемі, як і в будь-якому іншому цілісному природно-системному утворі з участю живого, всі живі й абіотичні компоненти відповідають один одному як за будовою, так і за функціями. Зміна однієї частини неминуче викликає зміни в інших. Втрата одного елемента системи (наприклад, виду) спричиняє зникнення всіх тісно пов'язаних з ним елементів та функціональні зміни цілої системи в межах її внутрішньої динамічної рівноваги. Так само жодна екосистема не може самостійно існувати, якщо в ній штучно створено або перебуває у стані перманентного надлишку чи нестачі один з екологічних компонентів. "Нормою" екологічного компонента слід вважати таку, яка забезпечує екологічну, еволюційно спрямовану динамічну рівновагу цієї екосистеми1.

Це далеко не повний перелік законів, закономірностей і правил, які стосуються функціонування та розвитку екологічних систем будь-якого рангу.