Функциональная экология — в работах А. С. Керженцева

Механизм функционирования

Функциональная экология — фундаментальная наука, изучающая механизм функционирования естественных, аграрных и урбанизированных экосистем, законы их изменчивости в пространстве и во времени под влиянием естественных и антропогенных факторов.

Новые знания о механизме функционирования экосистем позволят подготовить специалистов, способных создавать новые эффективные методы и технические средства обеспечения экологической безопасности и рационального природопользования, проектировать системы устойчивого развития конкретных регионов на основе информации экологического мониторинга, правовых и  организационных ограничений хозяйственной деятельности, связанной использованием природных ресурсов и воздействием на систему жизнеобеспечения человека в биосфере.

В основе — экосистема

Современная экология — это уже не раздел биологии, изучающий отношения организма с окружающей средой, это фундаментальная наука в системе естествознания, которая изучает объекты природы — экосистемы, их структуру и функцию, законы изменчивости в пространстве и во времени под влиянием естественных и антропогенных факторов. По пути своего развития экология дифференцировалась на самостоятельные научные дисциплины, и к настоящему времени их насчитывается около 50 подвидов экологии: физическая, химическая, геохимическая, радиационная, социальная, промышленная, технологическая, медицинская, рекреационная и многие другие. Рост количества терминов и дробление науки продолжается до сих пор. Причина в общем ажиотаже и слишком упрощенном толковании предмета экологии как науки.

Современная экология состоит из трех основных разделов:

1) ландшафтная (структурная) экология;

2) функциональная экология;

3) прикладная экология.

Если ландшафтная экология изучает анатомию и географию экосистем, прикладная экология направлена на решение практических задач, то функциональная экология изучает физиологию экосистем, динамику и ритмику процессов функционирования экосистем в среде обитания. Именно этот раздел интересен для лучшего понимания жизнедеятельности организмов, окружающей среды, а также их взаимодействия.

Развитие Функциональной экологии позволило сформулировать новое, более определенное понятие экосистемы как симбиотической ассоциации автотрофной, сапротрофной и гетеротрофной биоты (фитоценоза, зооценоза и педоценоза), функционирующей автономно за счет обмена симбионтов отходами своей жизнедеятельности.

Объект изучения — мудрость природы

Разнообразие специализированных групп живых организмов (продуценты, консументы, редуценты) скооперировалось в единую систему на основе взаимовыгодного обмена отходами жизнедеятельности, который освободил всех участников от энергетических затрат на поиск и добывание пищевых ресурсов. Они получают пищу от партнеров в форме отходов жизнедеятельности в обмен на свои собственные отходы. Такое симбиотическое содружество способно функционировать автономно бесконечно долгое время за счет метаболизма — циклического процесса фазовых превращений вещества экосистемы. Замкнутость цикла метаболизма экосистемы составляет 90-99%. Экосистему можно считать самой рентабельной фабрикой производства биомассы, отходы которой не превышают 1-10% и полностью компенсируются атмосферными выпадениями и продуктами выветривания горных пород. В метаболизме экосистемы важную роль играет функция некроболизма — превращения живой биомассы в мертвую некромассу с одновременным возрождением новой жизни в форме зародышей, семян, спор. Эта важная функция обеспечивает преемственность поколений всех живых организмов и создает условия для непрерывного существования почвенно-растительного покрова на земной суше. Функция некроболизма начинается с момента достижения организмом половой зрелости: у животных по достижении определенного возраста, у растений по достижении определенной массы. Первую половину жизни организм формирует свою морфологическую структуру, которая во второй половине жизни позволяет ему добывать ресурсы в количестве, превышающем его собственные потребности. Этот потенциальный излишек ресурсов включает генеративную фазу онтогенеза и остальное время жизни организм расходует на воспроизводство и воспитание потомков. В процессе затухания собственных функций и отмирания (некроза), организм стимулирует формирование зародышей своих будущих потомков. В этом состоит мудрость природы и залог ее вечного существования. Именно эти проблемы являются главными объектами изучения функциональной экологии.

Управление и воздействие

Многолетний научный опыт показал плодотворность использования опыта технических наук для изучения функций сложных экологических систем. На основе принципа информационного единства природных и технических систем был разработан метод технико-биологических аналогий (ТБА), который позволил использовать арсенал методов анализа технических систем для изучения механизма функционирования биологических и экологических систем. Метод ТБА позволяет решать конкретные вопросы функциональной экологии, например, описать в форме имитационной модели принцип функционирования природных экосистем и использовать этот принцип для изучения природных систем как потенциальных объектов разумного управления. На основе принципа информационного единства и природные, и технические системы можно отнести к единому классу информационно-управляющих систем (ИУС).

Сущность принципа заключается в том, что природные и технические системы имеют не только вещественную, но и информационную форму существования. В технических системах эти формы представляют — машина и ее чертежи или техническая документация, в природных системах — фенотипигенотип, организм и семя с его генетической программой.

Несмотря на то, что вещественные формы природных и технических систем различаются принципиально, их информационные формы имеют много общего и вполне сопоставимы для оценки и анализа.

Разница между ними заключается лишь в том, что создающим фактором для технических систем служит воля и разум человека, а для природных — генетическая программа развития организма (онтогенез), заложенная в семени, в зародыше, и ее реализация сопряжена с адаптацией к реальным условиям среды.

Для сравнения природных систем с техническими использовались живые системы разного уровня организации: растение (фитоценоз), почва (педоценоз) и экосистема.

Использование метода технико-биологических аналогий (ТБА) позволило четко разделить параметры структуры и функции биосистем. Метод ТБА показал принципиальную разницу между воздействием на экосистемы естественных и антропогенных факторов.

Естественные факторы (свет, тепло, влага) воздействуют непосредственно на функцию экосистемы. Они могут ускорить или замедлить функции анаболизма, некроболизма и катаболизма, и этим изменить результативность метаболизма экосистемы. Антропогенные факторы воздействуют непосредственно на структуру экосистемы путем привноса, отчуждения или трансформации экомассы и ее составляющих: биомассы, некромассы и минеральной массы. Поэтому воздействие естественных факторов направлено на поддержание гомеостаза метаболизма экосистем, а антропогенные факторы на нарушение их структуры.

Самостоятельность экосистем как целостных природных объектов проявляется в их способности к саморегуляции и самовоспроизводству. При изменении условий среды экосистема начинает адаптироваться к новым условиям путем изменения видового состава биоты, структуры фракционного состава экомассы и уровня гомеостаза. Регулярные изменения условий среды в суточном, годовом и многолетнем циклах вынуждают экосистему функционировать в догоняющем режиме перманентной адаптации. Она постоянно стремится к равновесию с факторами среды, но никогда его не достигает, поскольку факторы меняются быстрее, чем экосистема успевает на них реагировать.

Традиционно укоренившийся, но давно устаревший принцип «покорения природы» надо срочно менять на современный принцип «активной адаптации» жизнедеятельности человека к метаболизму природных экосистем локального, регионального и глобального масштаба. Человек должен гармонично вписать свою хозяйственную деятельность в глобальный цикл метаболизма биосферы. Это главное и непременное условие для обеспечения бесконфликтного перехода биосферы в ноосферу и разумного выхода из глобального экологического кризиса с минимальными человеческими жертвами.

Внутри структуры

Структура экосистемы — объект изучения ландшафтной экологии — отражает современное состояние ее массы — экомассы, которая включает три составные части: биомассу, некромассу и минеральную массу. Экомасса экосистемы характеризуется анизотропностью, то есть разной изменчивостью параметров в вертикальном и горизонтальном направлениях. Для вертикального направления характерна слоистость структуры, а для горизонтального — пятнистость. Слоистость вертикального сложения экосистемы представлена рядом надземных и подземных ярусов фитоценоза, а также серией генетических горизонтов педоценоза.

Каждая экосистема имеет свой набор структурных слоев, отличающихся размерами (вертикальной мощностью) и качественным составом.

Вертикальные надземные ярусы фитоценоза формируются в результате конкуренции растений за энергию света, а подземные — за ресурсы влаги, кислорода и элементов минерального питания (ЭМП). Надземные ярусы лесных экосистем размещаются в слое атмосферы 20-30 м, а подземные — в слое почвы 1,5-2,0 м. Подземные ярусы фитоценоза приурочены к генетическим горизонтам почвенного профиля (педоценоза), которые обладают различными запасами ЭМП, режимом увлажнения и аэрации.

Вертикальная структура педоценоза формируется в процессе минерализации некромассы. Горизонты почвенного профиля представляют собой различные сочетания начальных, конечных и промежуточных продуктов катаболизма экосистемы, который сочетает процессы минерализации и гумификации отмершей биомассы. Различная скорость минерализации и гумификации фракций некромассы способствует их дифференциации во времени и в пространстве. Почвенный профиль можно сравнить с хроматографической колонкой, где разные вещества имеют свои координаты в пространстве.

Симбиотическое взаимодействие фитоценоза с педоценозом со временем в процессе эволюции обеспечило автономию экосистемы, избавило ее от прямой зависимости добывания элементов минерального питания из геологической породы. Практически 99% вещества биологического круговорота вращается по замкнутому циклу между фитоценозом и педоценозом. Естественные потери экосистемы составляют примерно 1% емкости круговорота. В аграрных экосистемах дисбаланс вещества гораздо больше — от 20-30 до 40-50%. Почва, или педоценоз, представляет собой совокупность гетеротрофной биоты, различных фракций некромассы, продуктов ее минерализации и гумификации. Это запасной фонд экосистемы, ставший в процессе эволюции основным и единственным источником элементов минерального питания для высших растений — фитоценоза. Структура педоценоза представлена почвенным профилем с набором генетических горизонтов, а функция — процессом катаболизма, который с помощью гетеротрофной биоты осуществляет минерализацию и гумификацию отмершей биомассы.

Процесс функционирования экосистемы в самом общем виде представляет собой последовательное превращение биомассы в некромассу, некромассы в минеральную массу, минеральной массы в биомассу с помощью функций анаболизма, некроболизма и катаболизма. Разнообразные организмы с различными характерными временами онтогенеза, разной ритмикой и продолжительностью жизни (от нескольких дней до нескольких столетий) создают сложную, многослойную, цикличную и однонаправленную систему непрерывного процесса метаболизма экосистемы — ее главной функции.

Концепция экосистемы как информационно-управляющей системы была разработана при непосредственном участии В.А.Ковды. Это был принципиальный переход от изучения структуры экосистем к изучению их функций, равный по значимости переходу от анатомии к физиологии организма.

Главная сложность перехода заключалась в том, что традиционно все компоненты экосистемы и все факторы внешней среды изучались раздельно, как бы независимо друг от друга самостоятельными научными дисциплинами (ботаника, почвоведение, микробиология, зоология, метеорология, геология). Параметры каждого компонента считались уникальными и измерялись разными методами в разных единицах, оценивались по разным, не согласованным между собой критериям. Это оказалось серьезным препятствием при интегрировании отдельных компонентов в единую и целостную экосистему. Пришлось искать такую позицию, такую точку видения объекта, из которой все компоненты представляют функциональное единство и проявляют уникальность в той роли, которую они выполняют в едином цикле метаболизма экосистемы. Именно функция метаболизма экосистемы оказалась таким объединяющим началом.

Особенности аграрной экосистемы

Некоторые антропогенные факторы оказывают прямое воздействие на процессы функционирования экосистем: распашка земель, орошение, осушение, мульчирование и другие факторы, стимулирующие или сдерживающие активность метаболизма экосистемы. Воздействие антропогенных факторов способно резко изменить структуру экосистемы, поскольку они оказывают прямое воздействие на ее массу (привнос, вынос, трансформация). Антропогенные факторы по силе воздействия сопоставимы со стихийными природными бедствиями, компенсировать последствия которых может только длительная экзогенная сукцессия со сложной многократной и длительной сменой видового состава (зарастание вырубки, гари и залежи).

Аграрная экосистема отличается от естественной упрощенной структурой. Вместо многоярусного и многовидового фитоценоза функцию анаболизма выполняет монокультура (пшеница, рис, кукуруза, корнеплоды и другие). Вместо генетического почвенного профиля в процессе катаболизма аграрной экосистемы участвует только один пахотный горизонт. Процесс некроболизма в аграрной экосистеме сильно усечен. В нем участвуют пожнивные остатки, корни скошенных растений и внесенные человеком органические удобрения. Принудительная аэрация почвы рыхлением с помощью почвообрабатывающих орудий стимулирует процесс катаболизма, высвобождающий ЭМП, а минеральные удобрения добавляют к массе катаболитов еще несколько элементов (азот, фосфор, калий). Однако монокультура в состоянии использовать не более 20% этого изобилия минеральной пищи, а остальные элементы обречены на потерю, поскольку сорным растениям в аграрной экосистеме нет места. Им категорически запрещено утилизировать избытки ЭМП как конкурентам культурных растений.

Многолетние исследования И.Б. Арчеговой (Арчегова, Федорович, 2003) показали, что «культурная почва является новым образованием и не наследует свойств естественной почвы, поэтому традиционное изучение почвоведами пары целинная и освоенная (окультуренная) почвы не является корректным, поскольку освоенная почва — «земля» — не может быть аналогична ни одной из конкретных целинных почв».

Именно здесь в нарушениях механизма функционирования почвы (катаболизма) надо искать симптомы заболеваний и невосполнимых потерь плодородия почвы, а на основе этих знаний разрабатывать методы диагностики и лечения (ремедиации, рекультивации) почвы от деградации. Основными препятствиями для реализации этой задачи является инерционность мышления и беспечность государственных чиновников, которые умеют активно действовать только в условиях чрезвычайных ситуаций. После наступления катастрофы они быстро находят средства для ликвидации катастрофических последствий экологически неграмотных решений. Наша задача — побудить их к активным профилактическим действиям гораздо раньше наступления экологической катастрофы.

Все известные технологии земледелия базируются на приемах искусственного провоцирования минерализации почвенного гумуса с целью выделения дополнительных порций элементов минерального питания для культурных растений. Однако в отличие от природных фитоценозов, наши монокультурные посевы потребляют только 20-30% выделенных с помощью плугов и других рыхлителей минеральных элементов. Остальная масса, как после пожара, обречена на вынос из экосистемы водными и воздушными потоками. Сорняки пытаются выполнить свою экологическую миссию, определенную природой, защитить минеральные элементы от нежелательных потерь, но земледельцы не позволяют им этого делать, уничтожают всеми способами и методами.

С этой точки зрения беспахотное земледелие, или система нулевой обработки почвы, является более экологичной, чем паро-пропашная, поскольку уменьшает количество лишних элементов минерального питания.

Функция почвы в метаболизме системы

История науки о почве сменила две парадигмы и готовится принять третью. Каждая парадигма оставила свой след в виде определения почвы как главного объекта исследования. Все они существуют до сих пор, дополняют друг друга и употребляются одновременно в зависимости от ситуации. Итак, что такое почва. Почва — это:

а) объект труда и средство производства;

б) естественно-историческое биокосное тело природы;

в) незаменимый компонент биосферы и каждой ее экосистемы.

За каждым из этих определений стоит своя особая точка видения почвы — сложного природного объекта с особым набором параметров, характеризующих почву, с набором методов измерения и критериев оценки состояния почвы, с принципами классификации и диагностики.

Главным атрибутом почвы как объекта труда и средства производства является ее способность давать урожай. Поэтому первыми параметрами почвы служили:

а) потенциальное плодородие (жирные, худые);

б) предпочтительные для возделывания культуры (рисовые, пшеничные, капустные);

в) трудоемкость их обработки (легкие, тяжелые);

г) цвет пашни (подзолистые, серые, бурые, каштановые, пурпурные, черноземы, красноземы, желтоземы).

Главным атрибутом почвы как уникального биокосного тела природы является открытый В.В. Докучаевым почвенный профиль, который представлен набором генетических горизонтов ABC. Каждый горизонт характеризуется целым рядом устойчивых диагностических признаков: морфологических, физико-химических, минералогических, водно-физических, теплофизических, биологических. Все эти признаки положены в основу современной классификации и диагностики почв.

Для характеристики почвы как непременного компонента экосистемы необходимы другие параметры, основанные на изучении механизма функционирования почвы в метаболизме экосистемы.

Главная функция экосистемы — метаболизм — объединяет фитоценоз и педоценоз в единый цикл биологического круговорота вещества. В метаболизме экосистемы фитоценоз выполняет функцию анаболизма — ассимиляции простых (минеральных) веществ в сложные (органические) вещества живой фитомассы, а педоценоз (почва) — осуществляет функцию катаболизма — диссимиляции сложных органических веществ отработавшей ресурс и отмершей биомассы в простые минеральные вещества, необходимые для осуществления фитоценозом функции анаболизма.

Таким образом, почва (педоценоз) — биологический реактор, выполняющий в метаболизме экосистемы функцию катаболизма — утилизации отмершей биомассы в элементы минерального питания фитоценоза и гумус (запасной фонд экосистемы).

Катаболизм — механизм функционирования почвы (педоценоза) как непременного незаменимого компонента экосистемы, осуществляющего минерализацию отмершей биомассы и гумификацию невостребованных фитоценозом минеральных элементов.

Что ждать от эволюции?

Эволюция экосистем — непрерывный процесс повышения эффективности их метаболизма в конкретном диапазоне факторов среды путем перестройки структуры (жизненных форм). Эволюционные изменения экосистем — это постоянная настройка их структуры на эффективное использование ресурсов в конкретном диапазоне факторов среды путем перманентной адаптации экосистем к изменениям факторов среды в суточном, годовом и многолетнем циклах.

Общий принцип эволюционных изменений живых систем заключается в последовательной смене уровней специализации и кооперации биоты по отношению к использованию пищевых ресурсов. Прокариоты образовали гигантское множество узко специализированных особей, использующих разные минеральные ресурсы. Потом они скооприровались в эукариотную клетку с универсальным, почти замкнутым циклом метаболизма. Эукариотные клетки специализировались по использованию пищевых ресурсов, как минеральных, так и органических. Потом они объединились в многоклеточный организм с системой органов, обеспечивающих регулирование общего процесса метаболизма. Организмы создали биологические царства, специализированные по способу добычи пищевых ресурсов на продуцентов, консументов и редуцентов. Потом эти царства объединились в симбиотическую ассоциацию — экосистему, объединенную общим циклом метаболизма с максимальной замкнутостью круговорота веществ на основе обмена симбионтов отходами жизнедеятельности.

Экосистемы создали множество природных зон, специализированных на основе использования разных диапазонов факторов среды (гидротермических условий). Потом они объединились в биомы с более широким спектром гидротермических диапазонов. Биомы специализировались на основе максимально эффективного использования ресурсов среды. После освоения всего гидротермического поля биоты сформировалась биосфера — экосистема глобального масштаба с общим циклом глобального метаболизма, который стал поддерживать и регулировать гомеостаз и качество среды обитания всей биосферы.

Человек с помощью Разума и Техники нарушил закон, ограничивающий рост численности популяции, резко увеличил численность населения Земли с непомерными потребностями и нарушил гармонию глобального метаболизма. Он стал главной причиной глобального экологического кризиса, угрожающего существованию не только популяции самого человека, но и всех живых существ биосферы.

Именно качество среды обитания человека должно стать главным фактором беспокойства общества о состоянии экологической безопасност и проблемы самосохранения, которая завуалирована великими достижениями научно-технического прогресса. Для преодоления дефицита ресурсов жизнеобеспечения человек должен создать супермощную и безотходную индустрию производства первичной и вторичной продукции. Для возврата в биологический круговорот изъятого вещества третичной (антропогенной) продукции человеку придётся создавать заново мощную индустрию её рециклинга. Все взятые у природы вещества надо вернуть в глобальный цикл метаболизма биосферы для восстановления нарушенного гомеостаза и благоприятного качества среды обитания.

Для снижения потерь от деградации почв придётся кардинально менять традиционные аграрные технологии, основанные на глубокой пахоте и монокультуре, которые стимулируют эту деградацию. Глубокая отвальная вспашка активизирует почвенную микрофлору для минерализации органического вещества почвы и обеспечения культурных растений элементами минерального питания. Однако монокультура способна усвоить не более 20% минерального питания, выделенного почвой, обрекая остальное на вымывание из неё. Противостоять этим потерям могут известные альтернативные технологии: беспахотное земледелие (нулевая и минимальная обработка) и полидоминантные посевы (пермакультура). Первые минимизируют при обработке выделение почвой элементов минерального питания, а вторые обеспечивают их полное усвоение многовидовым фитоценозом. Надо только усовершенствовать данные технологии для широкого использования в разных регионах на основе имеющегося успешного опыта их применения.

Для восстановления и поддержания благоприятного качества среды человек должен контролировать и координировать выполнение биотой всех трех экологических функций: продуцента, консумента и редуцента. Ему предстоит создать с помощью Разума индустрию производства первичной и вторичной биологической продукции (фитомассы и зоомассы), а также адекватную индустрию рециклинга отработавшей ресурс третичной (антропогенной) продукции, включающей искусственные вещества и материалы, машины и механизмы, здания и сооружения, отходы производства и потребления, бытовые отходы. Их необходимо дезинтегрировать и вернуть в цикл биологического круговорота.

Реализация благоприятного выхода из экологического кризиса зависит от наличия квалифицированных специалистов, владеющих теоретическими знаниями, практическими навыками использования принципиально новых технологий и технических средств для объективной и своевременной диагностики, восстановления и поддержания надлежащего качества окружающей среды.

ПОЛЕЗНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Орлова Л. В. Философия жизни. Как сохранить нашу планету.—Самара, 2011.- 180 с.

Герардус ван Виссен. АНТ: Люди. Проекты. Истории. — Самара, 2011 — 450 с.