Про проблеми екології по-справжньому заговорили в 70-ті роки нашого століття, коли не тільки фахівці, але й рядові громадяни відчули, яку зростаючу погрозу несе нинішньому й майбутньому поколінням техногенна цивілізація. Забруднення атмосфери, отруєння рік і озер, кислотні дощі, відходи, що збільшують виробництва, використані радіоактивні речовини і багато чого іншого - все це не могло не вплинути на ріст інтересу широких верств населення до проблем екології. У зв'язку із цим змінився й сам погляд на предмет екології. Сам термін «екологія» був уведений Е. Геккелем понад сто років тому і як самостійна наукова дисципліна вона сформувалася ще в 1900 р., проте довгий час вона залишалася чисто біологічною дисципліною. У цей час екологія вийшла вже із цих вузьких рамок і стала по суті справи міждисциплінарним напрямком досліджень процесів, пов'язаних із взаємодією біосфери й суспільства. Як указує відомий фахівець із цих питань Ю. Одум, зараз екологія оформилася в принципово нову інтегровану дисципліну, що зв'язує фізичні й біологічні явища й утворюючий міст між природними й суспільними науками.
Про зв'язок екології із суспільними й гуманітарними науками свідчить поява таких її розділів, як соціальної, медичної, історичної, етична екології.
Більше повне уявлення про екологію і її завдання ми одержимо, якщо будемо розглядати структуру й динаміку різних екологічних систем, а також різні рівні їхньої організації й ієрархії.
До екологічних систем звичайно відносять всі живі системи разом з навколишнім їхнім середовищем, починаючи від окремої популяції й кінчаючи біосферою. Всі вони є відкритими системами, які обмінюються з навколишнім природним середовищем речовиною, енергією або інформацією. Найменшою одиницею екології є сукупність організмів певного виду, які взаємодіють між собою усередині виду, а вид як цілісна система - з навколишнім середовищем. Отже, ні молекулярний, ні клітинний рівні, не розглядаються в екології, хоча й жива молекула, і клітина, і тим більше організм являють собою відкриті системи, які можуть існувати завдяки взаємодії із середовищем. Навіть окремі популяції в чистому виді виділити важко, оскільки в природній природі вони поєднуються в більше великі співтовариства живих систем і взаємодіють також з неживими факторами середовища.
На популяційному рівні, розрізняють такі співтовариства, або екологічні системи, як біоценози й біогеоценози, у яких співтовариства живих організмів досліджуються в тісному зв'язку з неорганічними умовами їхнього існування, наприклад, ґрунтом, мікрокліматом, гідрологією місцевості й т.п. Ще більш великим системним об'єднанням в екології вважається біом, що включає у свій склад живі системи й неживі фактори на великій території, наприклад, листяні породи дерев. Нарешті, біосфера охоплює, згідно В.І. Вернадському, всю живу, біокосну й кісну речовини на поверхні нашої планети. І хоча вона у відомих межах функціонує автономно, але в остаточному підсумку може існувати й розвиватися тільки за рахунок енергії Сонця й тому є також відкритою системою, що на відміну від інших систем називають екосферою.
В екології найбільше значення для вивчення структури її систем здобуває аналіз тих трофічних, або харчових, зв'язків, які з'єднують різні популяції один з одним.
Тепер ми звернемося до більше докладної класифікації, щоб з'ясувати механізм функціонування трофічних зв'язків. Ми будемо розрізняти автотрофні й гетеротрофні організми відповідно до того, чи харчуються вони самостійно за рахунок перетворення неорганічної енергії, або ж поїдають інші живі організми. Тому в екосистемі можна виділити два рівні:
- на верхньому, автотрофному рівні, що називають також зеленим поясом, ми зустрічаємося з рослинами, що містять хлорофіл і переробляють сонячну енергію й прості неорганічні речовини в складні органічні сполуки;
- на нижньому, гетеротрофному рівні відбувається перетворення й розкладання цих органічних сполук у прості.
Таким чином, у механізмі трофічних зв'язків можна виділити наступні елементи:
- продуценти автотрофних організмів, головним чином зелених рослин, які можуть робити їжу із простих неорганічних речовин;
- фаготрофи, до яких належать гетеротрофні тварини, що харчуються іншими живими організмами, рослинними й тваринами;
- сапротрофи, які одержують енергію шляхом розкладання мертвих тканин або розчиненої органічної речовини.
У зв'язку із цим гетеротрофні організми розділяють на біофагов, що поїдають живі організми, і сапрофагів, що харчуються мертвими тканинами.
Одна з характерних рис всіх екосистем полягає в тому, що в них відбувається постійна взаємодія автотрофних і гетеротрофних підсистем організмів. Така взаємодія приводить до круговороту речовини в природі, незважаючи на те, що іноді організми розділені в просторі. Як ми бачили, автотрофні процеси найбільше інтенсивно протікають на зеленому ярусі системи, де рослинам доступний сонячне світло, у той час як на нижньому ярусі посилено протікають гетеротрофні процеси. Аналогічний розрив між цими процесами може відбуватися й у часі, причому значний розрив між виробництвом органічної речовини автотрофами й гетеротрофами приводить до його нагромадження. Саме завдяки такому тимчасовому розриву на нашій планеті утворилися величезні запаси викопного палива.
Взаємодії між частинами й цілим в екологічних системах можуть досліджуватися двома шляхами. З одного боку, вивченням властивостей частин і екстраполяцією їх на властивості цілого. Така відомість властивостей цілого до суми властивостей його частин являє собою типовий випадок редукціонизма й тому стикається із чималими труднощами. З іншого боку, визнання специфічності властивостей цілого, незвідності їх до властивостей частин відкриває значні перспективи для дослідження й одержання ефективних нових результатів. Звичайно в конкретних дослідженнях системний метод вивчення стає зовсім необхідним у тих випадках, коли частини цілого настільки тісно зв'язані між собою, що їх важко відокремити друг від друга й за допомогою такого прийому одержати знання про властивості системи в цілому. На противагу цьому сумативний метод використовується тоді, коли окремі частини сукупності можуть вивчатися відносно незалежно друг від друга й тому властивості цілого можна виявити шляхом підсумовування властивостей частин.
Звідси стає ясним, що кожний із цих методів варто застосовувати на своєму місці, залежно від конкретних умов дослідження, а отже, вони не виключають, а припускають і доповнюють один одного. Сумативний підхід часто виявляється доцільним при проведенні експериментів з такими екологічними сукупностями, які досліджують, наприклад, вплив різних зовнішніх факторів на систему. Системний підхід нерідко використовується при побудові теоретичних моделей, коли необхідно з'ясувати взаємодію різних частин екосистеми.
Моделювання являє собою абстрактне вираження реальних процесів, що відбуваються в природі. Воно може здійснюватися в словесній формі за допомогою відповідних понять і величин, що характеризують поводження й розвиток екосистем. Нерідко для більшої ясності й наочності в цих же цілях використовуються графічні моделі. Оскільки важливою метою моделювання є пророкування поводження системи в різних умовах і в різні періоди часу, остільки в останні роки в екології стали частіше прибігати до побудови математичних моделей, починаючи від найпростіших, типу так званого чорного ящика, і закінчуючи надскладними, у яких ураховується дія великого числа змінних. Для їхнього розрахунку використовуються потужні комп'ютери й інша обчислювальна техніка.
У біологічних дослідженнях, особливо в класичній теорії еволюції, звичайно робиться упор на вивчення впливу навколишнього середовища на живі організми і їхні системи. Саме під таким кутом зору розглядається дія різних факторів на їхню еволюцію. Однак живі системи аж ніяк не є пасивними в цій взаємодії. Вони у свою чергу впливають на навколишнє їхнє середовище.
Найбільшою мірою такий вплив можна простежити на прикладі більших екосистем. Саме на такого роду факти опирається відома гіпотеза Геї, висунута в 1970-е рр. фізиком і винахідником Джеймсом Лавлоком і мікробіологом Лінн Маргуліс. Своя назва ця гіпотеза одержала від давньогрецького слова «Гея», що позначає землю. Вона пропонує зовсім інший підхід до причин і факторів становлення життя на нашій планеті. Якщо традиційно допускають, що життя на Землі з'явилася після того, коли виникла спочатку атмосфера зі значним змістом у ній кисню, те, відповідно до гіпотези Геї, утворення кисню й атмосфери в цілому зобов'язано впливу тих найпростіших живих організмів, які в анаеробних, тобто без кисневих умовах стали виділяти в навколишній простір кисень. Своє припущення автори гіпотези підтверджують посиланням на те, що на близькі до Землі планетах Марсі й Венері їхня атмосфера складається відповідно на 95 і 98% з вуглекислого газу, кисню же Марс містить 0,13%, а на Венері замічені лише його сліди. Приблизно така ж картина спостерігалася б на безжиттєвій Землі. Звичайно, гіпотеза Геї має потребу в подальших розробці й обґрунтуванні, але опирається вона на важливу й у загальному виді визнану багатьма ідею, що життя забезпечує умови для свого подальшого існування й розвитку. Ця ідея аж ніяк не є чистим умоглядом, а підтверджується численними фактами з історії розвитку органічного миру.
Факти також свідчать, що екосистема не тільки випробовує вплив з боку навколишнього середовища, але у свою чергу робить зворотна дія на неї й відповідним чином її формує.
Оскільки екосистема - система відкрита, вона не може не взаємодіяти зі своїм оточенням і тим самим не впливати на нього. Тільки постійна й безперервна взаємодія із середовищем підтримує життєві процеси в будь-який екосистемі. У результаті такої взаємодії здійснюється постійний обмін енергією й речовиною між екосистемою і середовищем, що проявляється, по-перше, у засвоєнні абіотичних, або неорганічних, факторів середовища (сонячна енергія, вода, мінеральні речовини й т.п.), по-друге, біотичних, або органічних, факторів за допомогою тих трофічних (харчових) зв'язків, які існують між різними живими системами. Функціонування й еволюція екосистем залежать не тільки від круговороту речовини й енергії, що існує в природі. Щоб вижити, а тим більше розвиватися, екосистеми повинні відповідним чином регулювати свою діяльність і управлятися, а це вимагає встановлення інформаційних зв'язків між різними підсистемами й елементами системи.
Поряд з потоками енергії й круговоротом речовини екосистеми зв'язані також інформаційними мережами. Керування й регулювання в них здійснюється за допомогою фізичних і хімічних елементів. Такі керуючі системи по своєму функціональному призначенню можна розглядати як кібернетичні. Однак на відміну від штучних систем, створених людиною, у природних екосистемах елементи керування розосереджені усередині самої системи й тому процес регулювання й керування в них відбувається не із зовнішнього спеціального органа керування, як у технічних кібернетичних системах.
Відповідно до кібернетичних принципів, усякий процес керування пов'язаний з передачею й перетворенням інформації. Для стійкого динамічного функціонування системи необхідно, по-перше, наявність прямих сигналів, що несуть інформацію від керуючого до виконавчого пристрою, по-друге, зворотних сигналів, які інформують керуючий пристрій про виконання команд. Одержавши такі сигнали, керуючий пристрій віддає команду про коректування системи, якщо її положення відхиляється від заданого або встановленого. Саме таким способом здійснюється автоматичне регулювання не тільки в кібернетичних системах, але й у живих організмах. У фізіології цей спосіб підтримки динамічної рівноваги був сформульований американським фізіологом Уолтером Кенноном (1871-1945) у вигляді принципу гомеостазу, відповідно до якого всі найважливіші параметри організму (температура тіла, частота пульсу й подиху, склад крові й кров'яний тиск і ін.) підтримуються на постійному рівні завдяки зворотним сигналам, що надходять із органів у головний мозок.
Кібернетика узагальнила це положення у вигляді принципу зворотного зв'язку. Неважко зрозуміти, що зазначений принцип пояснює лише процес досягнення й збереження динамічної рівноваги в будь-якій системі, але для того щоб зрозуміти, як відбуваються еволюція й розвиток систем, необхідно визнати виникнення змін у стані й структурі систем. А для цього варто ввести принцип позитивного зворотного зв'язку, відповідно до якого безперервні впливи на систему, поступово накопичуючись, приводять до руйнування колишніх зв'язків між її частинами й виникненню нової її структури.
В екосистемах живої природи дія цих принципів здобуває більше складний характер, оскільки, як ми бачили, що регулюють центри в них дифузні, або розподілені усередині всієї системи, а наявність надмірності, коли та сама функція виконується декількома компонентами, забезпечує необхідну стабільність системи. Ця стабільність залежить від безлічі умов, але визначальні серед них - ступінь опору зовнішнього середовища й ефективність роботи керуючих механізмів самої системи. Для більше конкретної характеристики стабільності екосистем звичайно вводять поняття резистентної стійкості, що визначається як здатність системи пручатися зовнішнім навантаженням і залишатися при цьому стійкій. Поняття пружної стійкості характеризує здатність системи швидко відновлювати свою стійкість. При сприятливих умовах зовнішнього середовища екосистеми звичайно підвищують свою опірність ускладненням внутрішньої структури. Раптові й випадкові зміни зовнішнього середовища (наприклад шторми) можуть різко знизити стійкість екосистеми й навіть зруйнувати її. Таким чином, тісний взаємозв'язок і взаємодія між живими організмами й навколишнім середовищем являють собою характерну рису всіх екосистем. Хоча окремий організм, будучи відкритою системою, також взаємодіє з оточенням, проте взаємодія екосистеми із середовищем має більше ефективний і сталий характер.
Ця особливість проявляється насамперед у досягненні більшої стабільності функціонування й розвитку екосистем у порівнянні з окремими організмами в результаті встановлення інформаційних зв'язків між окремими організмами в рамках системи, виникнення ієрархічних відносин між окремими її підсистемами, які приводять до ускладнення її структури. У зв'язку із цим ще раз варто підкреслити, що будь-яка екосистема, починаючи від популяції й кінчаючи екосферою, являють собою надорганізмений рівень організації живого в природі, що якісно відрізняється від окремого організму. Саме в результаті об'єднання окремих організмів у рамках цілого, їхньої взаємодії один з одним екосистема здобуває нові, системні властивості, які відсутні в окремих організмів. Відповідно до цього міняються й різні відносини й зв'язки екосистеми з навколишнім середовищем. Найбільш важливими й по суті вирішальними є енергетичні зв'язки.
Якщо простежити процеси перетворення й одержання енергії в екосистемах, то не можна не прийти до того висновку, що зробив згадуваний вище Майєр, що затверджував, що життя є створення сонячного променя. Дійсно, промениста енергія Сонця за допомогою фотохімічного синтезу спочатку перетвориться зеленими рослинами в органічні сполуки, які згодом служать їжею для тварин, які харчуються рослинами, а останні у свою чергу - їжею для інших тварин. Крім того, задовго до цього органічна речовина, заготовлена протягом тисячоріч рослинами, як і самі рослини, особливо дерева, піддалися численним хімічним перетворенням і утворили те викопне паливо, що дотепер служить найважливішим джерелом енергії для суспільства.
В екосистемах відбувається постійне перетворення сонячної енергії в більше концентровані її форми спочатку автотрофними рослинами, а потім гетеротрофними тваринами й людиною. При цьому на кожній стадії перетворення енергії відбувається також її дисіпація, або розсіювання, у навколишній простір. Закон збереження енергії повністю вірний й до цих систем, тому що ніколи не спостерігалися випадки створення енергії з нічого. Енергія може лише перетворюватися з однієї форми в іншу, але вона ніколи й нікуди не зникає.
Другий закон термодинаміки, що у фізиці звичайно формулюють за допомогою поняття ентропії, в екології воліють виражати за допомогою твердження про перетворення концентрованої енергії в розсіяну. Процес концентрації розсіяної сонячної енергії відбувається, як уже говорилося вище, у різних живих системах і охоплює тривалий період часу. Отримана концентрована енергія може бути надалі використана в екосистемах у вигляді їжі, а в техніці - як паливо. В обох випадках буде відбуватися перетворення концентрованої енергії в розсіяну. Яку енергію можна вважати концентрованої?
З екологічної точки зору, енергія по способу свого одержання буде тим більше концентрованої, чим далі відстоїть джерело її одержання, наприклад їжа, від початку перетворення розсіяної сонячної енергії, тобто від автотрофних організмів, а саме зелених рослин і мікроорганізмів.
У фізичних термінах концентровану енергію можна визначити як таку, яка володіє низьким ступенем ентропії, тобто характерна меншим ступенем безладдя. Адже в результаті концентрації енергії відбувається виведення безладу із системи в зовнішнє середовище. Тому якщо безлад в системі зменшується, то в зовнішнім середовищі він збільшується.
На відміну від концентрації розсіювання енергії супроводжується зростанням безладдя в системі. Тому якщо система залишиться закритої, то вона виявиться повністю дезорганізованої, тобто прийде в стан максимального безладдя, що відповідає встановленню теплової рівноваги в системі.
Таким чином, з енергетичної точки зору системи можуть описуватися не тільки кількісно, але і якісно, причому високоякісними будуть уважатися найбільш концентровані форми енергії, які можуть мати більше високий робочий потенціал, тобто можливістю зробити відповідну роботу. Так, наприклад, викопне паливо має більший робочий потенціал, чим неуважна сонячна енергія. Аналогічно цьому тваринна їжа є більше якісної, чим рослинна. Опосередковано якість використовуваної енергії визначається хімічною структурою її джерела.
Всі наведені вище міркування показують, що при енергетичному підході завдання екології по суті справи зводиться до вивчення зв'язку між неуважним сонячним випромінюванням і екосистемами, а також процесами послідовного перетворення менш концентрованих форм енергії в більше концентровані.
Оскільки матеріальне виробництво суспільства істотно залежить від використання енергії, остільки представляється доцільним провести класифікацію екосистем з погляду застосування їхньої енергії в інтересах розвитку суспільства й насамперед його продуктивних сил. На цій основі можна виділити чотири фундаментальних типи екосистем.
1. Природні системи, що повністю залежать від енергії сонячного випромінювання, які можна назвати системами, спонукуваними Сонцем. Незважаючи на те що такі системи не в змозі підтримувати достатню щільність населення, вони проте важливі для збереження необхідних екологічних умов на планеті. Слід також зазначити, що такі природні системи займають величезну площу на земній поверхні. Адже тільки одні океани покривають 70% цієї поверхні.
2. Природні системи, спонукувані Сонцем, а також одержують енергію з інших природних джерел, до яких ставляться прибережні ділянки морів і океанів, більші озера, тропічні ліси й деякі інші екосистеми. Крім сонячної енергії, такі системи функціонують і ростуть за рахунок енергії, наприклад, морських прибоїв, припливів, глибоководних плинів, рік, дощів, вітру й тому подібних джерел.
3. Природні системи, спонукувані Сонцем і такі, які получають енергією від викопного палива (нафта, вугілля, деревина й ін.). Історично такі змішані природні й штучні екосистеми вперше виникли в сільському господарстві для оброблення культурних рослин і поліпшення порід свійських тварина. Спочатку там застосовувалася м'язова сила людини й тварин, а згодом і енергія машин, що працюють на викопному паливі.
4. Сучасні міські, індустріально-міські системи, що використовують головним чином енергію викопних горючих, переважно нафти, вугілля, газу, а також радіоактивних речовин для одержання атомної енергії. У цих системах виробляється основне багатство країни у вигляді різноманітних промислових товарів, а також переробка харчових продуктів для харчування більших мас сконцентрованого в містах і індустріальних центрах населення. Сировина для такої переробки вони одержують із сільськогосподарських екосистем. Енергетична залежність індустріальних центрів від Сонця мінімальна, тому що енергоносії вони одержують від добувної промисловості, а продукти харчування - від сільського господарства.
Інтенсивне зростання промисловості в розвинених країнах супроводжується всі зростаючим споживанням енергії й одночасно всі відходами, що збільшуються, виробництва. Забруднення атмосферного повітря, отруєння водних джерел, нагромадження радіоактивних відходів - неминучі супутники життя у великих індустріальних центрах. Хижацька експлуатація швидко, що скорочуються запасів, викопного палива, погоня за прибутком за всяку ціну й особливо за рахунок порушення екологічного балансу в навколишнім середовищі - все це з особливою гостротою висуває перед людством і насамперед перед промислово розвиненими країнами глобальну екологічну проблему збереження динамічної рівноваги біосфери й нормального життєзабезпечення людей. Оскільки зараз наша цивілізація перебуває в процесі переходу від біосфери до ноосфери, коли розум стає визначальною силою суспільства, те цілком природно задуматися над глобальною стратегією й перспективами подальшого розвитку миру. Хоча будувати прогнози завжди ризиковано, проте вони необхідні для того, щоб намітити основні напрямки, по яких з певним ступенем імовірності можна ефективно підготуватися до зустрічі майбутнього.
Недоліку в таких прогнозах і сценаріях майбутнього розвитку не відчувається. Одні з них мають оптимістичний характер і роблять ставку головним чином на те, що нова технологія буде принципово відрізнятися від сучасної, стане безвідхідної, менш енергоємної й більше зробленої по інших параметрах. Інші вважають, що при сталій тенденції розвитку ніяка технологія не врятує суспільство, якщо люди будуть безупинно збільшувати споживання, підприємці домагатися одержання максимального прибутку, а промислово розвинені країни незмінно прагнути до економічного росту.
Вихід з екологічної кризи, що насувається, багато хто бачить у радикальній зміні свідомості людей, їхньої моральності, у відмові від погляду на природу як об'єкт бездумної експлуатації її людиною. Однак однієї зміни й удосконалювання поглядів і моральності людей явно недостатньо для виходу з екологічної кризи й рішення екологічних проблем у майбутньому. Для цього необхідно насамперед, щоб суспільство у своїй економічній діяльності враховувало не тільки безпосередні матеріальні й трудові ресурси, затрачувані на виробництво товарів і послуг, але й ту шкоду, що наноситься навколишньому середовищу в результаті такого виробництва. Усі визнають, що ринкова економіка поки ще не навчилася це робити. Очевидно, що економія енергоносіїв і інших швидко зменшуваних запасів сировини, створення небрудної й безвідхідної технології, пошуки й використання альтернативних джерел енергії - все це багато в чому зможе допомогти рішенню екологічної проблеми, принаймні послабити її гостроту.
У цьому зв'язку заслуговує на особливу увагу ініціатива вчених і суспільних діячів, що об'єдналися в рамках Римського клубу, учасники якого зібралися в 1968 р. для обговорення актуальних глобальних проблем людства. Перша ж доповідь «Межі росту», представлений американськими вченими Денисом і Донеллой Медоузами в 1972 р., викликав найсильніший шок серед багатьох політичних діячів і представників громадськості. Ґрунтуючись на фактичних даних і тенденціях економічного, технічного й соціального розвитку, автори побудували комп'ютерну модель сучасного суспільства, у якій були враховані зв'язки між різними підсистемами суспільства й вплив на них різних факторів росту. Вони показали, що якщо споживання ресурсів і промисловий ріст разом зі збільшенням чисельності населення будуть тривати колишніми темпами, то буде досягнута «межа росту», за яким неминуче піде катастрофа. Хоча багато фахівців критикували доповідь за те, що в ньому не враховуються зусилля суспільства по вдосконалюванню технології, пошукам нових джерел енергії й сировини й т.д., але всі змушені були визнати, що в ньому втримується обґрунтована тривога за майбутнє людства.
У другій доповіді - «Людство на роздоріжжі», представленому Михайлом Месаровичем і Едуардом Пестелем, переборені деякі недоліки першого й намічені перспективи розвитку не стільки світового співтовариства, скільки окремих його регіонів. Такий підхід ураховує конкретні особливості й умови росту окремих регіонів миру й тому краще підходить для рішення екологічних, енергетичних, сировинних і інших глобальних проблем. У наступних доповідях обговорювалися більше конкретні проблеми, що стосуються відносин зі слаборозвиненими країнами, переробки відходів, використання енергії й інші.
Діяльність Римського клубу привернула увагу широкої публіки до актуальних глобальних проблем сучасності, зокрема, до такій життєвого для всього людства проблемі, як збереження навколишнього природного середовища. Учасники клубу намітили також можливі шляхи рішення проблем, однак поставивши правильний діагноз виниклим труднощам і хворобам сучасного суспільства, вони мало досягли в тім, щоб переконати суспільство прислухатися до їхніх порад і почати конкретні дії по реалізації висунутих ними програм і рекомендацій.
Література
1. Андерсон Дж.М. Екологія й науки про навколишнє середовище: Біосфера, екосистеми, людина. - К., 1996
2. Бертокс П. Радд Д. Стратегія захисту навколишнього середовища від забруднень. - К., 1997
3. Ревелль П, Ревелль Ч. Середовище нашого перебування. - К., 1999
4. Холличер Вальтер. Природа в науковій картині світу. - К., 1997
5. Красилов В.А. Охрана природы: принципы, проблемы, приоритеты / Институт охраны природы и заповедного дела. М., 1992.-