Екологічні знання – Добровольський В. В. – 6.4. Екологічні закони

Наукове обгрунтування шляху до сталого розвитку в вирішальній мірі залежить від спроможності людей враховувати в своїй діяльності закони природи. Відомо багато законів, які визначають хід фізичних, хімічних чи біологічних процесів. Щодо існування загальних законів природи, згідно з якими відбуваються глобальні і локальні комплексні процеси в біосфері і якими описується поведінка біосфери, загальновизнаної думки немає. В літературі з цього приводу трапляються діаметрально протилежні думки – від категоричного заперечення існування таких законів до опису біля сотні екологічних законів.

Грецький філософ Демокрит (460-370 pp. до н. е.) вважав, що “ніщо не відбувається випадково, все відбувається з якоїсь причини і необхідності”. Аристотель (384-322 pp. до н. е.) вказував на наявність у природі якоїсь спрямованості у майбутнє, бо хаотичний рух матерії перетворюється в спрямовану еволюцію від простого до складного. Китайський філософ Чжан Цзай (1020-1078) притримувався думки, що рух у природі має не хаотичний характер, а визначається законами, які не залежать від волі людей.

У більш пізні часи Ш. Монтеск’є (1689-1755 pp., Франція) розвивав ідею загальної закономірності, якій підпорядковані явища природи і людства. М. В. Ломоносов (1711-1765 pp.) намагався осягти “загальну згоду причин” – єдність законів природи. Такого ж погляду дотримувалися Т. Грабовський (1813-1855), М. Черни шевський (1828-1889), М. Серно-Солов’євич (1834-1866). А їхній сучасник – англійський філософ Г. Спенсер (1820-1903) – твердив про “непізнанність”, а саме – про неспроможність науки проникнути в сутність речей і виявляти закономірності.

Видатний натураліст і мислитель Ж. Б. Ламарк (1744-1829 pp.) писав: “Природа – це слово, яке так часто використовується в тому розумінні, що мова йде про особливе творіння, – повинна уявлятися як сукупність предметів, що охоплюють: 1) всі існуючі фізичні тіла; 2) загальні і часткові закони, які керують змінами стану цих тіл; 3) рух цих тіл, який існує в різних формах і з якого витікає дивний порядок речей, який ця сукупність предметів перед нами розкриває”.

На рубежі XIX і XX століть Е. Геккель спробував на базі теорії еволюції дати загальні пояснення природних і соціальних явиш. А Роберт Бойль у ті часи заперечував наявність законів, вважаючи, що подія відбувається не завдяки їм, а лише внаслідок попередніх подій.

Великий реорганізатор природознавства А. Ейнштейн показав глибокий взаємозв’язок між простором, часом і рухом матерії.

Представники “брюссельської школи”, організованої Нобелівським лауреатом І. Р. Пригожиним, дотримуються думки, що “універсальні закони” діють лише в локальних областях реальності. Випадковість і необхідність виступають не як протилежності – в долі системи випадковість і необхідність відіграють важливу роль, доповнюючи одна одну. Випадковість має значення в самій крапці біфуркації чи в її околицях, а в детермінованих процесах між біфуркаціями – необхідність.

Велику увагу закономірностям приділяв видатний еколог сучасності М. Мойсеєв. Він впевнений у наявності загальних законів для процесів, що відбуваються в косній матерії, в живій речовині, в людському суспільстві. Зокрема, це залежність сучасного та майбутнього від минулого; невизначеність світу; наявність біфуркаційних механізмів, які кардинально перебудовують еволюційний процес з непередбаченими наслідками; безперервний ріст різноманіття можливих форм організації і її складності, незважаючи на існування і протилежних тенденцій; принципи добору існують як об’єктивно, так і суб’єктивно у вигляді свободи вибору.

У масовій пресі широкого розповсюдження отримали “екологічні закони Б. Коммонера”: все пов’язане з усім; все мусить кудись діватись; природа “знає” краще; ніщо не минається даремно (за все треба платити).

Тут вірно відтворено “дух” екології, що важливо у процесі екологічного виховання, але мало дає для науки і практики.

Відомий еколог Н. Реймерс пропонує екологічні закони розподілити на закони для великих систем (10 законів), і закони аутекології та популяційної екології, куди увійшли закони класичної біології. В широко розповсюдженому підручнику популярних українських авторів (Г. Білявський, М. Падун, Р. Фурдуй) розглядається більше двадцяти законів екології.

Узагальнюючи відмічені й інші дані з урахуванням сфери дії екології як науки розглянемо як основні такі екологічні закони:

Закон Геї: Планета Земля – це динамічна гіперскладна саморегульована система, усі складові якої постійно взаємозалежно змінюються в бік вдосконалення.

Раніше було розглянуто, як протягом майже п’яти мільярдів років змінювалась нежива (косна) природа планети і як пі зміни впливають на еволюцію біосфери. І як, навпаки, біосфера впливає на стан атмосфери, гідросфери, літосфери. Вказані зміни відбуваються настільки повільно, що помітні лише в історичному (геологічному) часі. За людський вік ці зміни неістотні, і нам уявляється, що ми живемо на остаточно сформованій планеті.

Дивним і поки що непоясненим явищем є саморегулювання цього еволюційного процесу. Це саморегулювання проявляється багатьма явищами. Наприклад, розвиток гідросфери постійно йшов у напрямку створення умов, найбільш сприятливих для життя. Це відбувалося за найактивнішої участі самої живої речовини.

Енергетичне саморегулювання відбувається завдяки фотосинтезу, який всупереч всім природним і штучним процесам використання ви-сокопотенційної енергії з переведенням її в низкопотенційну виробляє складні, багаті високопотенційною енергією органічні речовини.

Автори “Гея-гіпотези” англійський хімік Д. Лавлок і американський біолог Л. Маргуліс вважають, що підтримання постійного (оптимального з точки зору безпеки життя) рівня кисню в атмосфері є наслідком кібернетичної взаємодії між живим (анаеробна мікрофлора, яка виробляє метан) та косним (окислення метану впливає на кількість кисню в атмосфері).

В. Г. Горшков запропонував концепцію біологічної регуляції навколишнього середовища, основою якої є наступне. З моменту виникнення біота не лише адаптувалася до навколишнього середовища, але і потужно впливала на нього. Під дією біоти формувалося регульоване навколишнє середовище з одночасним розвитком відповідного регулюючого механізму самої біоти. Тому сучасна біота має відповідну внутрішню структуру, яка характеризується розподілом загальної біомаси, потоками енергії і біогенів по групах організмів. Властивості цих характеристик В. Г. Горшков назвав законами надійності (сталості) біосфери. Однією з умов надійності є біологічне різноманіття.

Закон довкілля: Усе тісно пов’язане, і зміни в одному впливають на інше (тобто “все пов’язано з усім”). Всяка дія, всякий процес, які відбуваються у певному місці і в певний час, змінюючи стан локальної системи, викликають ланцюг реакцій системи як через внутрішні, так і через зовнішні зв’язки. “Автор” дії спостерігає реакцію локальної системи лише через внутрішні зв’язки. Він може і не здогадуватись, що його дія через зовнішні зв’язки перейшла в системи вищого рівня і викликала там відповідні реакції – непередбачені за часом, місцем і силою.

Невелике коливання грунту від вибуху чи землетрусу може зруйнувати в іншому місці гору чи споруду внаслідок резонансу у разі спів-падання частот коливань.

Коли інженери разом з хіміками для підвищення економічності двигуна внутрішнього згоряння почали додавати в бензин антидетонаційну присадку на свинцевій основі, вони не знали, що через багато десятків років людство буде шукати засобів захистити себе від шкідливого впливу свинцю, який сьогодні присутній скрізь – у воді, рослинах, тваринах, грунті.

Закон константності (збереження): Ніщо не зникає, а лише міняє вигляд (“все мусить кудись діватись”). “З нічого навіть волею богів нічого не створиться” (Лукрецій).

Широко відомі фізичні закони збереження енергії та маси є окремими випадками закону константності.

Найбільш яскравими проявами закону є природні кругообіги енергії, речовини та хімічних елементів. Це доказ єдності матеріального світу, зв’язків між живою і косною речовиною.

Закон константності широко використовується в людській практиці у вигляді методів розрахунку матеріального та енергетичного балансів.

Енергія є характеристикою інтенсивності руху і взаємодії всіх форм матерії. Вона буває механічною (кінетична, потенційна), хімічною, тепловою, електричною тощо.

Для біологічного об’єкта чи технічної споруди закон константності запишеться так:

Екологічні знання   Добровольський В. В.   6.4. Екологічні закони

Де Е – кількість енергії, отриманої зовні чи виробленої в собі внаслідок реакцій; ∆U – зміна внутрішньої енергії об’єкта (споруди); А – робота, яку виконано об’єктом (спорудою).

Закон екстремуму (оптимальності, оптимуму): Ніяка система, чи чинник системи, не може перевищувати або бути меншою за критичні величини.

Очевидним є раціональне співвідношення форми і розмірів біологічної особини з її масою, які склалися внаслідок багатовікової еволюції в певних умовах довкілля. Всяке значне відхилення якогось показника в бік перевищення чи зменшення від нормального внаслідок якихось причин (мутація, селекція) смертельне.

Такий же результат спостерігається в разі порушення оптимальної кількості в популяції.

Фатальним для живого є відхилення від певних діапазонів таких чинників, як температура, тиск та інше.

Не смертельним, але сильно впливовим на ефективність системи управління є порушення оптимальної кількості підлеглих у керівника чи кількості підрозділів.

Економічно збитковим і екологічно небезпечним виявилося спорудження гігантських штучних технічних систем – гідроенергетичних комплексів, централізованих систем енергозабезпечення та інше.

Закон Вернадського: Міграція хімічних елементів на Землі здійснюється головним чином під впливом живої речовини.

Незважаючи на постійну міграцію хімічних елементів внаслідок природного руху гідросфери, літосфери і атмосфери, які переміщують велетенські маси речовин, головною рушійною силою є живе. Якщо річки виносять за рік у моря та океани 2*1010 тонн твердої речовини, то біомаса, яка переміщується сама і постійно поновлюється, складає 1025 тонн.

Вплив живої речовини на міграцію хімічних елементів не обмежується кругообігом біомаси. Часто рослини і тварини змінюють процеси руйнування поверхні літосфери (вивітрювання, ерозія, розлив та інше).

Закон екологічної піраміди: Повне використання чи перетворення речовини, енергії або інформації в системі без втрат неможливо.

Цей закон широко відомий у біологів як правило трофічної (харчової) піраміди, а в інженерів – як другий закон термодинаміки.

Для підтримки життя потрібні енергія та поживна речовина. їх першоджерелом є Сонце, енергія якого дозволяє продуцентам (рослинам та найпростішим) з вуглекислого газу та води будувати біомолекули власного тіла (білки, жири, вуглеводи, нуклеїнові кислоти) за рівнянням (7).

Для утворення одного молю глюкози, а це 180 г, необхідно 264 г вуглекислого газу, 108 г води і 6,7*104 калорії енергії. Так утворюється перший щабель (рівень) піраміди – її фундамент, представлений автотрофними організмами (рослинами) – продуцентами.

Другий рівень трофічної піраміди займають рослиноїдні гетеротрофні організми – тварини (консументи-1), третій – хижаки (консументи-2) і так далі, аж до редуцентів (мікроорганізмів), які перетворюють органічну речовину в мінеральну, замикаючи кругообіг.

На кожному рівні піраміди живлення поглинута їжа, тобто речовина й енергія, засвоюється не повністю, а згідно з рівнянням:

Екологічні знання   Добровольський В. В.   6.4. Екологічні закони

Де Р – поглинута їжа; З – збільшення маси (енергії) консумента; Д – витрати енергії на “дихання”, тобто на підтримку процесів у клітинах та органах; В – виділення невикористаної їжі у вигляді екскрементів.

Відношення

Екологічні знання   Добровольський В. В.   6.4. Екологічні закони

Називають коефіцієнтом використання їжі, або (за аналогією зі штучними системами) коефіцієнтом корисної дії. Ця величина мала, оскільки витрати на “дихання” набагато більші, ніж величина 3.

Як приклад у табл. 6.2 наведені дані, що характеризують триланцюгову трофічну піраміду.

Таблиця 6.2 Екологічна піраміда

Екологічні знання   Добровольський В. В.   6.4. Екологічні закони

У цілому по біосфері вважається, що екосистеми суші стабільні за такого співвідношення використання рослинної продукції: 0,90 – бактерії, гриби; біля 0,10 – хробаки, молюски, членистоногі; біля 0,01 – хребетні тварини.

Штучні людські творіння (машини, механізми, апарати), як правило, мають кращу енергетичну ефективність, ніж природні; їх ККД 30..95%. Але в штучних системах, які характеризуються великою кількістю щаблів піраміди, коефіцієнт використання природного ресурсу (КВПР) теж буде невеликим.

Закон різноманіття й конкуренції: Найбільш відомим законом біології є положення вчення Ч. Дарвіна. Іще в стародавні часи грецькі філософи вказували на наявність у живій природі таких явищ, як відбір (Емпідокл) і боротьба за існування (Лукрецій). Ч. Дарвіну вдалося узагальнити матеріали багатовікових спостережень великої кількості вчених і науково обгрунтувати теорію еволюції органічного світу. Відповідно до вчення Дарвіна основними факторами еволюції є спадкова мінливість, боротьба за існування і природний добір.

Сучасні форми рослин і тварин беруть початок від первісних простих організмів, які поступово зазнавали змін, що передавалися із покоління в покоління. У боротьбі за існування в природних умовах виживають найбільш пристосовані. Природним добором зберігаються будь-які життєво важливі ознаки, які діють на користь організму і виду, в результаті чого утворюються нові форми і види. Обов’язковою умовою добору внаслідок конкурентної боротьби є наявність різноманіття видів і організмів.

Значення конкуренції для розвитку аналізувалося і в соціальних науках. Визначаючи вирішальну роль техніки в розвитку людства, К. Маркс писав: “…на місце старих машин, інструментів, апаратів повинні приходити нові – більш ефективні і порівняно з розмірами своєї роботи більш дешеві”. Змагання між собою різних форм власності, методів управління підприємствами, державами, соціальними утвореннями тощо, політичних програм і інших людських інститутів забезпечують еволюцію Homo Sapiens.

В узагальненому вигляді закон різноманіття й конкуренції викладено так: прогрес (вдосконалення) можливий лише внаслідок змагання різних форм організації; у конкуренції перемагає та система, яка найбільше накопичує та найефективніше використовує речовину, енергію та інформацію.

Закон ефективності використання: У конкуренції перемагає та система, яка найбільше накопичує та найефективніше використовує матерію, енергію і інформацію.

Закон настільки очевидний як для природних, так і штучних систем, що не потребує пояснень. Можна лише звернути увагу на те, що, як виходить з попередніх законів, зменшення кількості рівнів піраміди та підвищення ККД є ефективними засобами підвищення конкурентоздатності системи.

Закон еволюційно-біфуркаційного розвитку: Еволюційний процес розвитку системи обмежено критичними параметрами, які відповідають стану біфуркації (невизначеності); подальший процес розвитку непередбачений.

М. М. Мойсеєв, посилаючись на Лоренца (США), описав явище “дивного аттрактора” – коли подальший розвиток якогось процесу практично перестає визначатися минулим станом, коли невеличке відхилення від наявного може мати які завгодно значні наслідки.

Гілка згинається і повертається до попереднього стану під впливом різних сил до якоїсь межі. Якщо сила перейде цю межу – гілка зламається, але де і як – передбачити неможливо.

Аналізуючи розвиток біосфери, деякі вчені стверджують, що нові організми виникають не внаслідок еволюційного добору, а в результаті одномоментних скачкоподібних змін. Велике значення в цьому процесі відіграє таке явище, як мутація.

Напружений суспільний стан державі вдається компенсувати різними заходами до певної межі. При переході межі відбувається бунт (революція, контрреволюція), наслідки якого передбачити неможливо: хто прийде до влади і якою буде держава – невідомо.

Кожен новий напрямок НТП, врешті-решт, вичерпує свої можливості і змінюється іншим. Наприклад, в енергетиці парова машина, незважаючи на значне покращення показників за вікову історію існування, в середині XX ст. була замінена турбінами та ДВЗ. Зараз вдосконалення йде шляхом створення комбінованих установок. Про наступний крок в енергетиці сьогодні можна лише полемізувати.

На рис. 6.3 наведена ілюстрація закону.

Екологічні знання   Добровольський В. В.   6.4. Екологічні закони

Рис. 6.3. Еволюційно-біфуркаційні закономірності

Еволюційні залежності у = f(x) в діапазоні 0 – Ха в природному і штучному середовищі мають різноманітний характер. Для прикладу на рис 6.3 розглянуто два варіанти: 1 – прямолінійна залежність, що характерна для фізичних і хімічних процесів (збільшення напруги внаслідок зростання сили, вплив швидкості руху води на стік води тощо), та 2 – логістичне рівняння, згідно з яким збільшується чисельність особин популяції чи виду, ефективність науково-технічних рішень тощо.

При перевищенні критичного значення Ха закономірність різко змінюється і процес може піти будь-яким шляхом. Зокрема, для біологічних угрупувань чисельність особин може різко зменшитися (лінія 3), прийняти регульовано коливальний характер (крива 4), повторити логістичну фазу на більш високому рівні (лінія 5). Останнє можливе у разі отримання популяцією додаткових властивостей чи заміни її більш пристосованою до умов популяцією.

Закон емерджентності. Властивості цілого (системи) неможливо звести до суми властивостей його частин. У більш великих одиниць (систем) виникають нові (емерджентні) властивості, яких не було на попередньому рівні в підсистемі. Ціле характеризується сукупними й емерджентними властивостями. Наприклад, зграя вовків має, окрім таких властивостей вовка, як швидкість, витривалість, сила тощо, додаткову здібність колективного полювання, котра проявляється в оточенні жертви чи загоні її в підготовлену пастку.

Дія цього закону значною мірою проявляється в штучних технічних системах, де кількість емерджентних властивостей, як правило, перевищує кількість сукупних властивостей. Наприклад, для автомобіля до сукупних відносяться маса та вартість (ціна). Більшість властивостей автомобіля – швидкість, економічність, вантажопідйомність, надійність тощо – є емерджентними.


1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (1 votes, average: 5,00 out of 5)

Екологічні знання – Добровольський В. В. – 6.4. Екологічні закони