Как экологические системы сами достигают устойчивого состояния?

Биология становится количественной и «информативной» наукой, но не так, как это происходит в физике.
В физике стремятся записать уравнения. которые могут точно описать мир.
В биологии невозможно записать систему уравнений, которая описывала бы жизнь,
поскольку жизнь сама по себе является исторической случайностью.

Эрик Ландер (Eric Lander), один из основателей проекта Human Genome Project.

Люди издавна считали, что естественные природные системы рано или поздно, но неизбежно приходят в устойчивое, равно­весное и саморегулирующееся состояние. Конечно, если дея­тельность человека не препятствует установлению такого равно­весия. Авторы многих книг и фильмов привыкли использовать следующий шаблон: хрупкие экологические системы Земли по­стоянно подвергаются угрозам со стороны деятельности челове­ка. Причем, равновесие природных систем часто изображается неустойчивым и хрупким. Поневоле приходится делать такой же вывод, что и Эрик Ландер: «Как, несмотря на всю пагубность вмешательства человека, природным системам удается восстано­вить равновесие и выжить?».

Ещё в XIX веке были заложены основы теории постепенного возобновления растительности после природных катаклизмов (на­пример, лесного пожара) по строго определенному закону экологической сукцессии (ecological succession). Сначала появляются мхи и ряд трав, затем кустарники (малина, шиповник) и первые деревья (берёза, осина, ель) и, наконец, широколиственные дере­вья (дуб, клён). В конечном счёте, предполагается, что это приво­дит к устойчивой экологической системе — климаксному лесу. Эта система обладает максимальным запасом жизненно необходимых химических элементов и максимальным биологическим разнообразием. По оценкам ученых, восстановление климаксного хвойного леса в Московской области происходит примерно за 100 лет!

Однако есть и другая точка зрения: в процессе развития леса основная часть вещества накапливается ещё на ранних стадиях роста деревьев. Причём на начальном этапе максимальной явля­ется способность запасать химические элементы, а на завершающихся этапах развития леса происходят большие потери вещества по мере старения и умирания деревьев!

Под действием глобальных геологических (колебания температуры, засухи) и локальных стихийных (пожары, наводнения, оползни) факторов меняется сама окружающая среда. Потому экологическая система находится в условиях, постоянно меняющихся на разных масштабных уровнях. В этой связи теряют смысл понятия статического равновесия и замкнутости системы. В итоге экологическая система всё время находится в процессе адаптации к меняющимся условиям. Получается, что «равновесие» экологической системы очень сильно зависит от постоянно меняющейся окружающей среды. В этом состоянии непрерывно­го стремления влияние деятельности человека — это всего лишь один из многих факторов внешних условий.

Всегда ли верны изложенные выше взгляды? И в какой мере деятельность человека способна изменить окружающую среду и существенно повлиять на развитие экологической системы?

Разрушительное влияние деятельности человека на равно­весие проявляется не только в истреблении видов и сужении ареалов их обитания. Часто существенный вред экологическим системам приносят, на первый взгляд, незаметные события. Например, некоторые виды живого мира случайно заносятся туда, где их никогда не было. Некоторые такие виды настолько интенсивно размножаются на новом месте, что ставят под угрозу существование местных видов.

Почему в тропическом лесу наблюдается столь высокое разнообразие деревьев: до 300 видов на 1 га? Согласно классической те­ории: число устойчиво сосуществующих видов, конкурирующих за общие ресурсы (свет, влага, минеральные элементы и т.д.). якобы не может превышать числа таких ресурсов. Не может быть двух победителей в одном состязании! Как известно, одним из самых важных ресурсов в тропических лесах является свет. Если в тропическом лесу образуется прореха (например, из-за гибели дерева), то на освещенном клочке начинается жестокая борьба за существование между ростками попавших туда растений. На первый взгляд кажется, что побеждать должны самые многочисленные и плодовитые виды, а чем экзотичнее вид, тем меньше у него шансов на выживание. Тем не менее, обилие ред­ких видов в тропических лесах просто поражает! Учёные делают вполне резонный вывод: «Очевидно, есть какие-то механизмы, способствующие выживанию редких видов!».

Недавно для объяснения этого парадокса предложена тео­рия нейтральности, согласно которой в тропическом лесу даже самые разные виды растений имеют очень похожие значения основных свойств (рождаемости, смертности, скорости распро­странения) в пересчете на одну особь. Однако остается вопрос: как в одной экологической нише редкие виды выживают в жесто­кой борьбе с более массовыми? Согласно гипотезе Джанзена-Коннела в тропиках у каждого вида растений есть свои специфические враги, которые уничтожают семена и ростки растений. Эти враги (как правило, грибы и микроорганизмы) обладают очень малой подвижностью и могут нанести значительный урон в местах больших скоплений семян и ростков. Если же семена и ростки разбросаны на большой территории, то шансы на выживание у них гораздо выше. Вот почему редким видам удается «не пропасть по одиночке».

Количество парадоксов при изучении природных экологиче­ских систем не ограничивается перечисленными выше наблюде­ниями и выводами. Ещё в середине прошлого века экологи были уверены в том, что чем сложнее устроена экосистема и чем боль­ше в ней видов, то тем более стабильна она. Однако в 1970-е годы Роберт Мэй (Robert May), один из ведущих специалистов в из­учении динамики популяций, обнаружил ещё один парадокс. Он создал математическую модель системы элементов, которые по своему поведению условно названы «хищниками» и «жертвами». С её помощью он показал, что увеличение числа элементов не повышает стабильность. Это значит, что более сложные системы являются более нестабильными. Тем не менее даже сложные реальные природные экологические системы демонстрируют удовлетворительную устойчивость. Учёные считают, что стабильность определяется не только количеством взаимодействующих элементов, но и способом соединения между собой.

Например, замечено, что сеть пищевых взаимосвязей в экологических системах часто имеет асимметричную структуру: энергия передается от нижних уровней к верхним по разным каналам (один — более быстрый, другой — более медленный), которые объединяются хищниками только на самых верхних уровнях.

Например, в озере в основании цепи питания находит­ся фитопланктон (мелкие организмы в толще воды, которые добывают энергию, как растения, с помощью фотосинтеза). Фитопланктон создает органические вещества, которые могут использоваться зоопланктоном (мелкие организмы в толще воды, которые поедают фитопланктон) и бактериопланктоном (мелкие организмы в толще воды, которые добывают энергию с помощью фотосинтеза или хемосинтеза либо поедают про­дукты жизнедеятельности других организмов). Замечено, что фитопланктон и бактерии потребляются не только обычными, но и хищными рыбами, находящимися на самом верхнем уровне цепи питания. Таким образом, образуются быстрые и медленные каналы передачи энергии. Основная проблема точного описа­ния такой сложной взаимодействующей системы состоит в том. что выявление главных и вспомогательных элементов часто не дает решения. Дело в том, что взаимоотношения элементов экологической системы часто определяются нелинейными связями. При этом, казалось бы, незначительное изменение одного из па­раметров может привести к решительному изменению поведе­ния всей системы.

Как верно заметил Роберт Мэй, физик-теоретик по образо­ванию, исследующий  область математи­ческой экологии и динамики популяций: «Теория хаоса — вот что пронизывает многие области современной физики, химии и биологии». Современная наука только начинает подбирать методы описания столь сложных нелинейных систем.

Основные этапы исследований проблемы устойчивости экосистем.

1798 г. — Томас Роберт Мальтус (Thomas Robert Malthus) в своей книге An Essay on the Principle of Population (Опыт закона о на­родонаселении) выдвигает теорию экспоненциального роста.

1860 г. — американский натуралист Генри Дэвид Торо (Henry David Thoreau) в своей работе «The Succession of Forest Trees» (Сукцессия деревьев леса) описал сукцессию, т.е. последователь­ную смену во времени одних видов деревьев другими в лесу Оук-Пайн.

1900 г. — развитие теории экологической сукцессии.

1950-1960 гг. — первые попытки экологически безопасного развития — начало «зелёной революции».

1958 г. — британский эколог Чарльз Элтон (Charles Elton) вы­двигает идею о том, что, чем сложнее устроена экосистема, тем она стабильнее.

1954 г. — развитие теории максимально устойчивой добычи.

1967 г. — Роберт Мак-Артур (Robert MacArthur) и Эдвард Осборн Уилсон (Edward Osborne Wilson) представили теорию равновесия, согласно которой число видов в изолированной экосистеме будет постоянным, когда скорость вымирания видов будет равна скорости заселения новыми видами.

1971 г. — британский эколог Роберт Мэй на математических моделях показал, что более сложные системы оказываются не­стабильными.

1970-1971 г. — Даниэль Джанзен (Daniel Janzen) и Джозеф Коннел (Joseph Connell) предложили гипотезу о существовании вредителей, специфических для каждого вида растений.

LifePlanet.org