1.3. Развитие современной экологии

В последние десятилетия естественные науки интенсивно развивают представления глобального эволюционизма. Вселенная в современном естествознании рисуется динамичной, эволюционирующей не монотонно, а через кризисные состояния, катастрофы, бифуркации(от латинского bis – дважды и furcatus – разделенный; вилообразно раздвоен или разветвлен), сменяющиеся периодами запрограммированного развития. Традиционно природа представлялась в значительной мере стабильной и детерминированной (определенной, обусловленной), а кризисные состояния играли роль нарушений в закономерном развитии и течение жизни. Современная картина жизни определяет кризисные состояния как необходимую составляющую вечного развития материи.

Естествознание в ХVIII – ХIХ вв. развивалось в соответствии с двумя основными принципами. Первый из них – широко подтвержденное практикой представление об однозначности причинно-следственных связей (принцип детерминизма), которыми обусловлены основные успехи в описании физических процессов, решении задач теоретической механики и многих технических наук. Фактически этот принцип лежит в основе современной технической цивилизации. Второй важнейший принцип современной науки – ее основанность на эксперименте. При этом общепризнано, что предметом научного исследования могут быть только явления и процессы, полностью воспроизводимые в лабораторных условиях.

Однако развитие наук о жизни и в первую очередь экологии показало ограниченность подобных однозначных (линейных) представлений о мире. Выяснилось, что для всех сложных природных систем характерны свойства, описываемые лишь с помощью нелинейных моделей, для которых естественны ограниченность решений, колебательные и мультистационарные режимы, квазистохастическое пространственное и временное поведение, т.е. необходима замена парадигмы.

В сущности биология и экология никогда не соответствовали парадигме линейного мышления. Современные нелинейные модели были разработаны для описания и объяснения в первую очередь процессов в живой природе. Индивидуальность и разнообразие живых систем и нередко невоспроизводимость результатов сложных биологических экспериментов сегодня очевидны. Это новое направление биофизики и математики называют современной парадигмой нелинейного мышления. Ее суть в том, что все процессы в живой природе и большинство процессов в неживой описывают нелинейные уравнения. Действительно, живые системы являются открытыми по веществу и энергии и удалены от состояния термодинамического равновесия. Нелинейность их поведения объясняется, например, тем, что процессы роста популяции в зависимости от условий могут приводить к различным последствиям:

- стабилизации ее численности (в климаксных растительных сообществах);

- регулярным колебаниям численности;

- стохастическим вспышкам численности (у насекомых);

- пространственно-временным распределениям (например, к появлению пятен планктона в океане).

Наконец, анализ демографических данных показывает, что численность растет даже быстрее, чем экспоненциально. С.П.Курдюмов и С.П.Капица, предложившие математическую модель этого процесса, охарактеризовали его как режим «с обострением» или как взрывоподобную ситуацию, ведущую к коллапсу, с непредсказуемыми последствиями. Современное естествознание пришло к выводу, что неоднозначность и неустойчивость начальных условий есть естественное состояние природных систем. Одна из главных современных проблем нелинейной динамки состоит в том, чтобы разработать методы изучения подобных систем, критерии и условия их упорядочения. Таким образом, невоспроизводимые явления также могут быть объектом научного исследования.

Решения, найденные природой за миллионы лет, оптимальны и имеют громадную ценность. Попытки перекроить природу в угоду потребностям человека в конечном счете приводят к созданию искусственных экосистем с энергетической эффективностью, гораздо меньшей, чем у природных.

Примером нелинейных моделей при описании разнообразных живых существ и их адаптации к изменениям среды обитания являются наличие порогов чувствительности к внешним воздействиям, парадоксальные реакции на сверхмалые дозы различных средовых воздействий, явления кумулятивного и синергического интегрального действия многочисленных факторов среды на организмы. Гомеостаз организма может быть представлен как система колебательных процессов. Способность к адаптации, реакция на стресс, реакция тренировки характеризуются нелинейными дозовыми зависимостями.

Необходимость изучения и описания систем с нелинейным поведением или с нелинейной динамикой в начале 70-х гг. ХХ в. привела к возникновению особого междисциплинарного направления научных исследований, сформировавшегося в комплексную науку – синергетику (от греч. Synergeia – совместный, согласованно действующий). Синергетика исследует процессы самоорганизации в системах различной природы и прежде всего в живых. Под самоорганизацией понимают процессы возникновения пространственно-временных структур в сложных нелинейных системах, находящихся в состояниях, далеких от равновесия, при достижении ими особых критических точек – точек бифуркации. В этих случаях поведение живых систем становится неустойчивым. В точках бифуркации система под воздействием незначительных флуктуаций может резко изменить свое состояние. В эти переломные моменты принципиально невозможно предсказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли система хаотичной или она перейдет на новый, более высокий уровень организации.

Формирование синергетики связано с работами И.Р.Пригожина, известными как «теория диссипативных систем» (открытые системы, в которых наблюдается прирост энтропии).

В современной биологии доказано, что чем более устойчива система, т.е. чем разнообразнее ее элементы (живые организмы, биоценозы, экосистемы, из которых складывается биосфера Земли) и чем разнообразнее связи между ними, тем больше вероятность того, что система (биосфера Земли) не подвергнется катастрофическому разрушению по какой-либо причине. Однако окончательный переход системы в кризисное состояние зависит от силы воздействия, выводящей систему в состояние неустойчивости.

Математические модели и качественные понятия применимы к развитию представлений не только об экологических кризисах и катастрофах, но и об экологическом риске.

Состояние неустойчивости, характеризующее чувствительную к флуктуациям систему, необходимо для любого процесса развитии, ибо смена точек бифуркации и периодов более или менее устойчивого развития есть природная закономерность. Она лежит в основе эволюции биосферы, процессов онтогенеза (индивидуального развития) организма, а также и социального развития общества. Если внешнее воздействие слишком велико, система с некоторым запаздыванием покидает свои пределы устойчивости и прекращает существование. Изучение критических возмущений важно не только для исключения фатального антропогенного воздействия, но и для предотвращения опасного сочетания возмущений, так как для биосферы в ответ на сочетание многих воздействий характерны синергетические(интегральные) эффекты. Техногенные воздействия на природу медленно, но верно изменяют природные сообщества: снижая видовое разнообразие, уменьшают диапазон их устойчивости.

История Земли знает ряд экологических кризисов и катастроф. Одна из экологических катастроф, вероятно, была связана с накоплением кислорода в океане и атмосфере. При этом произошло массовое вымирание анаэробных организмов. Другие доантропогенные катастрофы преимущественно происходили при изменениях климата, когда менялись растительность и животный мир. При катастрофах в периоды горообразования и изменения климата вымирало около 50% живых организмов на Земле. Однако эти процессы длились тысячи и миллионы лет, и к ним биосфера успевала приспособиться путем естественного отбора.

Самоускорение научно-технического прогресса и его пагубное влияние на биосферу Земли, так же как и рост численности населения человечества, описывает синергетическая модель С.П.Курдюмова («режим с обострением» или самоускоряющийся процесс с положительными обратными связями).

Антропогенный фактор, вызывающий разрушение биосферы, является флуктуацией, вызванной популяционным взрывом. Система «общество – природа» по теории И.Р.Пригожина, достигнув точки бифуркации, должна будет перестроиться. Однако распад старой системы не должен означать переход ее в хаотическое состояние. Бифуркация – это толчок к развитию биосферы по новому, совершенно неведомому нам пути. О судьбе биосферы в будущем беспокоиться не следует, вероятнее всего она продолжит свое развитие, однако место и роль человека при этом непредсказуемы.

В интересах современного человечества – не доводить дело до крайности (до той точки бифуркации), а постараться сохранить биосферу в современном, привычном человеку, состоянии. Современная экология – это фундаментальная наука о природе, являющаяся комплексной и объединяющая знание основ нескольких классических естественных наук: биологии, геологии, географии, климатологии, ландшафтоведения и др. Согласно основным положениям этой науки человек является частью биосферы как представитель одного из биологических видов и, как и другие организмы, не может существовать без биоты, т.е. без совокупности живущих ныне на Земле биологических видов, которые и составляют среду обитания человечества.

Экологические системы, как живые системы других уровней организации, являются сложными и характеризуются нелинейной динамикой, и их поведение в математических моделях описывают современные науки - динамическая теория систем и синергетика. В моделировании экосистем определенную роль сыграли также представления кибернетики(науки об управлении) о теории регулирования, об устойчивости и неустойчивости, об обратных связях.

В наше время термином «экология» все чаще обозначают совокупность взаимоотношений природы и общества. Рассматривая структуру современной экологической науки, примерно соответствующую структуре естественнонаучной дисциплины в высших учебных заведениях, можно выделить три основные ветви экологии.

Общая экология или биоэкология - изучение взаимоотношений живых систем разных рангов (организмов, популяций, экосистем) со средой и между собой. Эту часть экологии подразделяют на следующие разделы:

- аутэкологию (изучение закономерности взаимоотношений организмов отдельного вида со средой обитания);

- демэкологию или экологию популяций;

- синэкологию, т.е. экологию сообществ;

- экосистемную и биосферную экологию.

Геоэкология – изучение геосфер, их динамики и взаимодействия геофизических условий жизни, факторов неживой окружающей среды,

действующей на организмы.

Прикладная экология – аспекты инженерной, социальной, экономической охраны среды обитания человека, проблем взаимоотношений природы и общества, экологических принципов охраны природы.