- •Глава 1 современная экология: наука или мировоззрение?
- •Глава 2 структура биосферы
- •2.1 Подсферы и надсферы
- •2.2 Горизонтальная структура биосферы и иерархия экосистем. Система систем
- •Глава 3 теоремы экологии
- •3.1. Предварительные замечания
- •3.2. Общесистемные обобщения
- •3.2.1. Сложение систем
- •3.2.2. Внутреннее развитие систем
- •3.2.3. Термодинамика систем
- •3.2.4. Иерархия систем
- •3.2.5. Отношения «система — среда»
- •3. 3. Физико-химические и молекулярно-биологические основы существования живого
- •3.4. Эколого-организменные закономерности
- •3.4.1. Развитие биосистем
- •3.4.2. Закономерности адаптации биосистем
- •3.5. Закономерности системы организм — среда
- •3.5.1. Общие законы функционирования системы организм — среда
- •3.5.2. Частные закономерности в системе организм — среда
- •3.6. Популяционные законы
- •3.7. Биогеографические закономерности
- •3.7.1. Ареал и распространение видов в его пределах
- •3.7.2. Изменение особей (популяций) в пределах видового ареала
- •3.7.3. Закономерности распространения сообществ
- •3.8. Законы функционирования биоценозов и сообществ
- •3.8.1. Энергетика, потоки веществ, продуктивность и надежность сообществ и биоценозов
- •3.8.2. Структура и видовой состав биоценозов и сообществ
- •3.8.3. Биоценотические связи и управление
- •3.9 Экосистемные законы
- •3.9.1. Структура и функционирование экосистем
- •3.9.2. Динамика экосистем
- •3.10. Общие закономерности организации экосферы и биосферы земли
- •3.11 Закономерности эволюции биосферы
- •3.12. Законы системы человек — природа
- •3.13. Законы социальной экологии
- •3.14. Законы природопользования
- •3.16. Теоремы экологии как основа управления природопользованием
- •Глава 4 ресурсология
- •4.1. Природа и экономика
- •4.2. Природные ресурсы и ограничения в их использовании
- •Глава 5 экологическое равновесие и природные особо охраняемые территории
- •Глава 6 экологические проблемы и общественная реакция на них
- •6.1. Общие черты современного экологического кризиса и осознание его обществом
- •6.2. Проблемы частной экологизации
- •6.2.1. Господствующие концепции
- •6.2.4. Экологизация сельского хозяйства
- •6.2.5. Экологизация лесного хозяйства и промыслов
- •6.2.6. Экологические проблемы транспорта
- •6.2.7. Экологизация городского (муниципального) хозяйства
- •6.2.8. Социально-экологические мероприятия
- •6.2.9. Экологизация демографической политики
- •6.2.10. Общая экологизация природопользования
- •6.3. Социально-экономические последствия экологизации
- •6.4. Экологический бизнес и рынок
- •6.5. Критерии оценки деградации среды в нашей стране
- •6.6 Пути выхода из экологического кризиса
- •6.7. Оптимистический пессимизм
- •Глава 7 система потребностей человека (экологический подход)
- •7.1. Особенности экологического подхода к человеку
- •7.2. Среда жизни
- •7.4. Классификация потребностей людей
- •7.5. Некоторые практические выводы
- •1. Общие положения
- •2. Человек и природа
- •3. Экологическая безопасность
- •4. Экологическая политика: алгоритм практических решений
- •1. Базовые требования
- •2. Общенаучные, системные и психологические принципы экспертизы
- •3. Показатели эффективности (экономические составляющие)
- •4. Составляющие риска
- •5. Политэкономическая и политэкологическая (или эколономическая) эффективность
3. 3. Физико-химические и молекулярно-биологические основы существования живого
| |
|
|
* В отечественной литературе встречается иная транскрипция термина — киральный. ** Эти вопросы подробно изложены в ряде статей рано скончавшегося Л. Л. Морозова и его соавторов. Можно рекомендовать две научно-популярные работы: Л. Л. Морозов. Несохраняющаяся четность в молекулярном мире организмов//Природа. 1977. № 1. С. 32 — 45. Он же (посмертная статья). Поможет ли физика понять, как возникла жизнь?//Природа. 1984. № 12. С. 35 — 48. *** Это легко доказать математически. Возникновение существующих цепей из 2000 ферментов, характерных для живого, требует перебора 1040000 вариантов их сочетаний (Викрамасингхе Ч. Размышления астронома о биологии//Курьер ЮНЕСКО. 1982. Июнь. С. 36— 38). Возникновение генома человека, сложность которого оценивается числом 101000, требовало бы в эволюции живого фантастического перебора вариантов, равного более 10900 на одну особь (Реймерс Н. Ф. История эволюции//Человек и природа. 1982. № 11. С. 50 — 61). Числа эти абсолютно нереальны — см. закон направленности эволюции в следующих разделах главы, а также разд. 3.11. |
Хиральная чистота обуславливает специфику живого, несводимость его к неживому и практическую невозможность получения живого из неживого в современных условиях Земли. Для этой планеты возникновения жизни — уникальный, катастрофический процесс**. Закон хиральной чистоты и тот факт, что синтезировать хирально чистые вещества в лабораторных условиях возможно лишь с помощью весьма сложных методик асимметрического синтеза, делают бессмысленными спекулятивные рассуждения об отсутствии граней между неживым и живым. Искусственное конструирование живого, если говорить о природе Земли, практически неосуществимо***. Вместе с тем, хиральная асимметричность, свойственная всему живому, объективно указывает на его физико-химическое единство, что и отражаетзакон физико-химического единства живого вещества В. И. Вернадского: все живое вещество Земли физико-химически едино.
Этот закон не исключает количественной биогеохимической специфики видов живого, даже половых и возрастных, возможно индивидуальных химических и физических отличий у тканей организмов. Однако качественно жизнь едина, и потому подчиняется единым «правилам игры», в том числе термодинамическому правилу Вант-Гоффа — Аррениуса, правилу поверхностей и биогеохимическим принципам В. И. Вернадского.
Термодинамическое правило Вант-Гоффа — Аррениусав биолого-экологической модификации гласит, что подъем температуры на 10°С приводит к 2 — 3-кратному ускорению химических процессов. Фактически обмен веществ в одних случаях усиливается многократно (до 7,4 раз), а в других повышение температуры его замедляет.
Правило Вант-Гоффа — Аррениуса существенно углубляется закономерностью, формулируемой для теплокровных животных в виде правила поверхностей. Формулировку и расшифровку этого правила технически и по смыслу удобней оказалось привести в разд. 3.4.2.
Экологический эффект всемирного повышения температуры на 10°С довольно трудно предсказуем. Скорее всего изменение среднеглобальной температуры в таком размере катастрофично. Среднеглобальная температура атмосферы у поверхности Земли около 15°С. За последний 1 миллион лет она изменялась в пределах 5°С похолодания и 2°С потепления. При изменении среднеглобальной температуры на 10°, т. е. в 1,5 раза от современного уровня, скорее всего будет нацело нарушено действие принципа Ле Шателье — Брауна (разд. 3.2.3) — биота как бы сама себя «съест», так как процессы обмена веществ, усиливаясь, приведут не к сопротивлению изменениям в окружающей биоту среде, а к быстрой самодеструкции биосферы.
При этом будут глубоко нарушены первые два биогеохимических принципа В. И. Вернадского, а третий его принцип будет существенно искажен.Первый биогеохимический принцип В. И. Вернадскогогласит: биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. Этот принцип уже в наши дни нарушен, хотя и обратимо, как сказано выше при обсуждении принципа Ле Шателье — Брауна (разд. 3.2.3).Второй биогеохимический принцип В. И. Вернадского: эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов. Этот принцип при антропогенном измельчании средних размеров особей биоты Земли в ходе процессов экологического дублирования (лес сменяется лугом, крупные животные мелкими) начинает действовать аномально интенсивно (см. правило Ю. Одума в разд. 3.8.1), что также нарушает действие принципа Ле Шателье — Брауна.
Поскольку, согласнотретьему биогеохимическому принципу В. И. Вернадского, живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей планете космической энергией Солнца, биосферная солнечно-земная связь с нарушением первых двух биогеохимических принципов В. И. Вернадского и принципа Ле Шателье — Брауна резко изменяется. Космические воздействия могут из системы поддержания биосферы планеты превратиться в агенты, ее разрушающие. Процесс может стать саморазвивающимся и необратимым. Пока биосфера еще находится в обратимом состоянии, но угроза ее самодеструкции все время растет. К этому вопросу целесообразно вернуться после рассмотрения всей группы закономерностей, регулирующих функционирование природных систем планеты. Начнем этот перечень с экологических законов, правил и принципов жизни отдельного организма.
* Летунов В. Н. Термодинамические аспекты теории адаптаций//Тр./Зоол. ин-т АН СССР. 1987. Т. 160. С. 31 — 40. |
Чтобы закончить с проблемами термодинамики и энтропии и перейти к биосистемам, обратимся к группе теорем, или афризмов, сформулированных для уровня отдельной особи. Первой в этом ряду стоит теорема (афоризм) Э. Шредингера (1944) о «питании» организма отрицательной энтропией. Эта теорема утверждает, что упорядоченность организма (особи) выше, чем окружающей его среды и он (организм) отдает в эту среду больше неупорядоченности, чем получает:
deS — diS = —S, если diS ≥ deS,
где diS — внешняя энтропия, a deS — внутренняя энтропия.— S выступает как мера упорядоченности. Совершенно очевидна связь теоремы Э. Шредингера с теоремой сохранения упорядоченности И. П. Пригожина (разд. 3.2.3). Следующие три обобщения носят столь же уточняющий характер. Их ряд начинаетсятеоремой (афоризмом) Хаасе(1963): организм «питается» положительной энтропией, т. е. энергетическая ценность пищи выше, чем этот же показатель продуктов диссимиляции. Иначе — организм существует до тех пор и постольку, поскольку имеется положительный энергетический баланс. Теорему (афоризм) Э. Шредингера дополняет теорема Г. Атлана (1968), утверждающая, что организм «питается» не только отрицательной энтропией, но и «шумом». Часть информации, содержащейся в пище, в ходе ассимиляции неизбежно теряется. Завершает группу сходных обобщений теорема Бриллуэна (1956) о том, что энтропия отходов больше энтропии пищи. По сути дела, по содержанию это повторение теоремы Э. Шредингера:
Sns — Sab == — S, если Sab ≥ Sns,
где Sns— энтропия пищи, a Sab— энтропия продуктов диссимиляции. Перечисленные теоремы «оголяют» физический смысл достаточно очевидных истин.