Биологический мониторинг

I. Проблема

– «Тут есть такое твердое правило, – сказал мне позднее Ма5 ленький принц, – встал поутру, умылся, привел себя в порядок – и сразу же приведи в порядок свою планету»1.

Но планета Маленького принца «была чуть побольше его само5 го», и чтобы держать ее в порядке, ему достаточно было выпалы5 вать баобабы и прочищать вулканы, чтобы они горели тихо, без всяких извержений.

Конечно, нам, людям на Земле, гораздо труднее содержать в

порядке свою планету, чем Маленькому принцу. И это объясняется не столько неизмеримо большими размерами Земли по сравнению с астероидом В5612, сколько отсутствием единого взгляда на порядок вещей среди многочисленных обитателей нашей планеты. В эпоху социальной неустроенности мира люди в угоду непосредственной выгоде приносят в жертву природные ценности, восстановление ко5 торых невозможно. Тем самым люди поставили себя «вне общей эко5 логии», так что последствия их деятельности стали угрожать сущест5 вованию Человека как биологического вида. Вместе с тем формы и масштабы человеческой деятельности стали важным экологическим фактором, преобразующим лицо биосферы, вследствие чего даль5 нейшая биологическая эволюция оказалась в прямой зависимости от неконтролируемых последствий технического прогресса.

Практически невозможно в рамках одного выступления, хотя бы

бегло, рассмотреть многочисленные аспекты проблемы взаимодей5 ствия природы и человека, проблемы места и преобразующей роли человека в биосфере. Некоторые из вопросов, связанных со средой обитания, касаются зловещих последствий тех разумных действий, которые были предприняты в биосфере человеком без достаточного учета их косвенных или отдаленных последствий. Одна из таких проблем 5 проблема отходов, важнейшим аспектом которой следует признать установление предельно допустимых нагрузок, оказывае5 мых отходами на продуктивность и будущее биосистем. Обсужде5 нию этой крупной проблемы и посвящена настоящая статья.

II. Производство «отходов» как биосферный процесс

В биосфере постоянно идут процессы, связанные с жизнью, и, если масштаб этих процессов достаточно велик, чтобы изменять «лик

1 Антуан де Сент5Экзюпери. Маленький принц, М., «Молодая гвардия», 1963.

Земли», их называют биосферными. Можно классифицировать био5 сферные процессы, разделив их на две категории:

1) процессы, связанные с эволюцией жизни как непрерывным рядом последовательно усложняющихся форм, который в конечном счете привел к становлению человека как биологического вида;

2) связанные с эволюцией человека как социального существа, ве5

дущего разумный образ жизни, т. е. социальной эволюции человека.

Если такая классификация окажется приемлемой, то биосферу с позиций системного подхода следует определить не просто как мес5 то осуществления взаимозависимых процессов, связанных с эволю5 цией жизни, а как систему связей между эволюцией неразумной и разумной жизни, т. е. между природными и человеческими популя5 циями, которые сосуществуют в геологическом времени и в преде5 лах некоторого пространства планеты. Эти связи могут быть весьма разнообразны по своей сути, – от ресурсных и трофических до моральных и эстетических.

К биосферным процессам, связанным с существованием челове5 ка, можно отнести:

а) производство пищи – развитие животноводства и сельского хозяйства;

б) производство энергии – строительство гидроэлектростанций,

атомных и тепловых станций и их последующая эксплуатация;

в) производство жилищ – строительство городов, или т. н. про5 цесс урбанизации;

г) производство материальных благ, облегчающих быт челове5

ка – развитие легкой и тяжелой промышленности;

д) производство культуры – создание духовных ценностей.

По мнению В. И. Вернадского [1], деятельность человека на пла5 нете должна привести к превращению биосферы в ноосферу, или сферу действия человеческого разума. Однако, даже при очень боль5 шом оптимизме, чувстве, присущем физически и морально здорово5 му человеку, мы не можем сегодня сочетать оценку состояния биосферы с определением ноосферы как «торжества человеческого разума». Скорее, более осторожным и поэтому более верным оказы5 вается определение биосферы как сферы действия процессов произ5 водства пищи, энергии, жилищ и культуры, направленных на создание условий для материальной и духовной эволюции человека, т. е. тех5 носферы. Имеющая место потеря метафоричности в определении ноосферы, несомненно, связана с одним важным обстоятельством, а именно: все перечисленные биосферные процессы сопровождаются не только производством полезного целевого продукта, но и произ5 водством некоторого количества сопутствующих продуктов, именуе5 мых отходами производства. При этом уничтожение или уменьшение отходов производства существенно удорожает процесс изготовления

отдельного полезного продукта, и, следовательно, повышает его се5 бестоимость. В настоящее время ни одна из стран не в состоянии односторонне пойти на повышение себестоимости продукции, кото5 рая привела бы к катастрофическому падению национального дохода страны. Поэтому проблема организации «безотходного» производ5 ства остается сегодня идеей, модной по замыслу, благой по существу, но не имеющей под собой достаточной материальной основы.

Наоборот, удешевление производства полезного продукта неиз5 бежно обостряет проблему отходов. И когда неспецифический, со5 путствующий любому производству, процесс накопления этих отходов достиг биосферных масштабов, человеческое общество за5 волновалось, вынуждая национальные правительства поставить пе5 ред учеными вопрос, каковы возможные последствия для человека и биосферы накопления отходов производства. «Плохие!» – отве5 тили единодушно ученые различных континентов. (Ком.1)

Но так как кардинально изменить положение дел с производ5

ством отходов не удается, поскольку побудительные причины сни5 жения себестоимости продукции не устранены, а сделать что5то для будущего наших детей и внуков все5таки надо, перед учеными была выдвинута более компромиссная проблема, которую достаточно точно можно сформулировать следующим образом:

– «Ну, хорошо, раз отходы есть и будут – делать нечего… Но скажите тогда, сколько отходов может поступать в биосферу без того, чтобы в конечном итоге это не отразилось на нашем здоровье и будущем наших детей?»

Вопрос поставлен правильно и своевременно. Но даже когда мы, ученые, дадим на него вразумительный ответ, еще совсем не очевид5 но, что человеческое общество сделает из него правильные выводы, или, точнее, найдет в себе силы последовать советам, покоящимся на точном знании вещей и положении дел. (Ком.2)

III. Отходы производства как антирепрессоры биосферных процессов

Любой процесс, независимо от его физической природы, можно описать параметрами «входа», скорости и «выхода». Применитель5 но к биосферным процессам вход определяется концентрацией ис5 ходных компонентов С в виде количества исходного сырья и его разнообразия, а также их реакционной способности К с учетом до5 ступности и с учетом времени и трудности доставки к пункту произ5 водства. Скорость переработки зависит не только от С и К, но и от организации производства с учетом возможного изменения (обычно роста) его масштаба. Наконец, выход определяется количеством полезного продукта Р и его качеством Q, а также производством

некоторого количества отходов О. При этом по отношению к биоси5 стемам первостепенное значение приобретает «качество» отходов в том смысле, что оно тем лучше, чем ниже их токсические свойства.

Отметим, что полезная продукция может выступать репрессором

процесса в условиях интенсивного производства (точнее, перепроиз5 водства), но такая репрессия будет тормозиться вследствие снижения себестоимости продукции связанного с изменением соотношения Р и О в пользу последнего. Таким образом «отходы производства» на определенном этапе развития общества выступают в роли антиреп5 рессоров биосферных процессов, удешевляя себестоимость полезной продукции. И это должно указывать на то, что обострение пробле5 мы отходов имеет также сигнальное значение, поскольку оно пред5 шествует репрессии процессов производства полезного продукта.

Этот небольшой экскурс в очевидность должен иллюстрировать бесспорное положение о том, что проблема дальнейшей эволюции биосферы в сущности уже перестала быть проблемой чисто эколо5 гической. В ней сплетаются в единое целое, в одну систему, аспек5 ты экономические, социальные, экологические и др., делая проблему биосферной. В дальнейшем не будут рассмотрены общие черты пол5 ной биосферной системы. В центре внимания окажутся, прежде всего, экологические проблемы, и, прежде всего, проблема допустимого влияния отходов на биосистемы. Однако некоторые общие принци5 пы, выходящие за рамки экологии, все же будут сформулированы как некие концепции, позволяющие лучше уяснить особенности био5 сферной модели. (Ком.3)

IV. Модель биосферы

На рис. 1 схематично изображена биосферная модель. Особен5 ности модели состоят в следующем:

1) модель предусматривает расходование энергии солнца и ре5 сурсов биосферы (первое — пренебрежимо мало, второе – прибли5 жается к уровню, который будет лимитировать масштаб биосферных процессов);

2) модель затрагивает исторический аспект развития биосферы

как развивающейся, самоорганизующейся системы, стремящейся к равновесию.

Существует много общих черт у биосферной модели и модели экологической сукцессии:

а) превалирующая важность входа на ранних этапах развития

биосферы, когда система развивается как бы при безграничных ре5 сурсах в образом «отходы производства» на определенном этапе развития общества выступают в роли антиреп5 рессоров биосферных процессов, удешевляя себестоимость полезной продукции. И это должно указывать на то, что обострение пробле5 мы отходов имеет также сигнальное значение, поскольку оно пред5 шествует репрессии процессов производства полезного продукта.

Этот небольшой экскурс в очевидность должен иллюстрировать бесспорное положение о том, что проблема дальнейшей эволюции биосферы в сущности уже перестала быть проблемой чисто эколо5 гической. В ней сплетаются в единое целое, в одну систему, аспек5 ты экономические, социальные, экологические и др., делая проблему биосферной. В дальнейшем не будут рассмотрены общие черты пол5 ной биосферной системы. В центре внимания окажутся, прежде всего, экологические проблемы, и, прежде всего, проблема допустимого влияния отходов на биосистемы. Однако некоторые общие принци5 пы, выходящие за рамки экологии, все же будут сформулированы как некие концепции, позволяющие лучше уяснить особенности био5 сферной модели. (Ком.3)

IV. Модель биосферы

На рис. 1 схематично изображена биосферная модель. Особен5 ности модели состоят в следующем:

1) модель предусматривает расходование энергии солнца и ре5 сурсов биосферы (первое — пренебрежимо мало, второе – прибли5 жается к уровню, который будет лимитировать масштаб биосферных процессов);

2) модель затрагивает исторический аспект развития биосферы

как развивающейся, самоорганизующейся системы, стремящейся к равновесию.

Существует много общих черт у биосферной модели и модели экологической сукцессии:

а) превалирующая важность входа на ранних этапах развития

биосферы, когда система развивается как бы при безграничных ре5 сурсах в И, конечно, было бы, несомненно, интересно и, может быть, даже важно установить местонахождение биосферы 1975 г. на пути превращения ее в равновесную систему. Конечно, мы еще далеки от решения вопросов восполнения ресур5 сов за счет солнечной энергии и огромные организационные труд5 ности препятствуют установлению связей между Р и О, ЕI и ЕII. Однако мы можем констатировать, что тенденции «замыкания» про5 цессов в биосфере уже налицо. Действительно, локальные кризисы перепроизводства отдельных видов полезной продукции, проблема отрицательного воздействия отходов на человека и природные эко5 системы неопровержимо свидетельствуют, что общие контуры зам5 кнутой системы проявляются вполне отчетливо. Правда, потоки превращений в такой системе еще не сбалансированы, и можно ду5 мать, что возникновение замкнутого контура превращений позволя5 ет определить нынешнее состояние биосферы, как промежуточное между двумя крайними описанными выше состояниями.

Биосферная модель позволяет определить круг вопросов, отно5

сящихся к компетенции экологов, в частности, участников настоя5 щего совещания. Центральный вопрос – есть вопрос о предельно допустимых нагрузках отходов (в широком смысле этого термина), которые способны выдержать человек, а также природные и искус5 ственные экосистемы, без риска разрушения основных биологичес5 ких структур, определяющих «лицо» биосистем. Важно подчеркнуть, что вопрос идет о необратимых и некомпенсируемых изменениях биосистем, в результате которых биосистема или разрушается и пе5 рестает быть системой, или структурные изменения ее оказываются настолько существенны и устойчивы, что мы вправе говорить о «пе5 рерождении» прежней системы в новую, с присущей ей новой сово5 купностью оценок, определяющих ее новое лицо. При этом легко видеть, что возможность перерождения относится исключительно к экологическим системам, тогда как необратимая деградация систем, вызванная действием отходов, касается всех без исключения биоси5 стем, включая человеческий организм.

Таким образом, потенциально опасное действие отходов угрожа5

ет, прежде всего, здоровью человека. Это воздействие может быть прямым, если отходы непосредственно вызывают разнообразные функциональные нарушения в человеческом организме и оказыва5 ются причиной заболеваний. Изучение подобного рода воздействий отходов выходит за рамки общеэкологических исследований и отно5 сится к компетенции органов здравоохранения.

Действие отходов может быть вызвано попаданием их в орга5 низм вместе с пищей растительного и животного происхождения. В этом случае поле деятельности остается за экологией, поскольку

загрязняющие вещества попадают из окружающей среды в эксплуа5 тируемые человеком биоценозы, накапливаются в телах организ5 мов, мигрируя по трофической цепи вплоть до конечной продукции в виде биомассы организмов, употребляемых человеком в пищу. Последние при этом выступают не просто в качестве пассивных пе5 реносчиков загрязнителей от окружающей среды к человеку. На5 капливая и трансформируя загрязнители, животные и растительные организмы, в свою очередь, испытывают воздействие загрязнителей, что, в конечном счете, влияет на динамику численностей популяций природных экосистем, т. е. изменяет их структуру. В этом случае в пределах эксплуатируемых человеком экосистем особо существенное значение имеет выделение видов, на которых «человек держится» (т. е. употребляет в пищу), из числа прочих видов, которые сосуще5 ствуют с первыми. При этом чисто практические соображения сти5 мулируют интерес экологов не к изучению структуры сообществ вообще, а к изучению судьбы отдельных популяций, ценных в пи5 щевом отношении. Таким образом, «подводящие» к человеку пути воздействия отходов по сути своей оказываются биоценологически5 ми, и следует обосновать некоторые новые концепции подхода в изучении биосферной модели и ее «экологического звена».

V. Две полезные концепции в изучении биосистем

Первая концепция – концепция «альтернативных механизмов» – покоится на постулате, который формулируется следующим обра5 зом: любое конечное образование в биосистемах способно возник5 нуть более чем одним путем. Это положение подразумевает сущест5 вование в живом альтернативных механизмов образований (возник5 новений). Понятие «образование» звучит несколько отвлеченно и должно быть конкретизировано по отношению к различным типам систем различным образом. Так, для биологических систем a5типа [8] образованием следует считать любой промежуточный или конеч5 ный продукт процессов (вещество, соединение), участвующих в фор5 мировании структурных компонентов «биологического спектра» – ген, клетка, орган и т. д. Действительно, из нескольких сотен сопряжен5 ных биохимических реакций в организме, едва ли можно назвать пример последовательности «превращений» промежуточных продук5 тов, ведущих к синтезу какого5либо компонента, которая не дублиро5 валась бы другой последовательностью, синтезирующий тот же компонент. Для биологических систем r5типа в качестве конечного образования можно рассматривать климаксное состояние сообщества, находящегося в равновесии с комплексом факторов, определяющим условия жизни каждого конкретного биотопа. При этом «сериальные стадии» на пути к климаксу могут существенно отличаться для био5

топа одного типа. Применительно к биосферной модели можно так5 же постулировать наличие альтернативных путей, регулирующих скорость процессов взаимодействия между элементами системы.

Как видно на рис. 1, отходы биосферных процессов способны оказывать отрицательное воздействие (пунктирные линии): во5пер5 вых, непосредственно на здоровье человека через пищевую цепь, попадая в организм человека вместе с пищей; во5вторых, на продук5 тивность эксплуатируемых природных экосистем (т. е. сокращение кормовой базы человека; в5третьих, на судьбу природных экосистем, мало или совсем не эксплуатируемых человеком, т. е. на биосферные процессы, связанные эволюцией «неразумной» жизни на планете.

Рис. 2.

На рис. 2 изображено в соответствии с концепцией альтернатив5 ных механизмов элементарное звено взаимодействующих элемен5 тов системы.

Из законов химической кинетики следует, что наблюдаемая ско5 рость процесса образования, идущего одновременно несколькими путями, зависящая от концентраций исходного А и образуемого В продуктов в действительности окажется некоторой аддитивной ре5 зультирующей величиной

Поэтому в некоторой области значений при изменение v1 будет компенсироваться изменением v2 и наоборот. Наличие альтернативных механизмов, поддерживающих постоян5

 

ство характеристик конечного выхода процесса, позволяет применить к работе отдельного звена взаимодействующих элементов (рис. 2) обобщенную концепцию гомеостаза [5]. Если принять, что понятие гомеостаза распространяется на механизмы поддержания постоян5 ства одних характеристик благодаря непостоянству других (v1 и v2), то гомеостаз системы оказывается механизмом регуляции, упоря5

дочивающим во времени изменение свойств системы в направлении устойчивости групп характеристик, относящихся либо к процессам (например, r5системы – все экологические), либо к их результатам (например, а5системы – организм человека) [8].

Вторая концепция – концепция «статистической нормы» – поко5 ится на постулате, который формулируется следующим образом: совокупность оценок, характеризующих выход процессов, регули5 руемых в системе гомеостатическими механизмами, в норме подчи5 няется распределению Гаусса. Это положение подразумевает возмож5 ность контроля над процессами, осуществляемыми в отдельных уча5 стках биосферной модели. С помощью критерия соответствия 2 или приближенных методов проверки. связанных с расчетом показателя

3

 

асимметрии gs = M3 /s

и эксцесса Е = (М /s4) – 3, где М и М –

4 3 4

 

эмпирические центральные моменты, а s – стандартное отклонение,

легко убедиться или усомниться в принятии гипотезы нормальности.

В том случае, если величины gs и E малы и гипотеза «проходит», можно полагать, что совокупности оценок характеризует состояние

«нормы». Тогда отрицательное влияние существующего уровня от5 ходов можно считать компенсируемым другими процессами систем и, следовательно, находящимся в рамках предельно допустимого воздействия. Наоборот, если гипотеза нормальности «не проходит», то величины оценок gs>0 и Е>0 могут рассматриваться как показа5

тели отклонения от нормы, т. е. быть мерой «патологии». Такие уча5

стки в системе требуют оперативного вмешательства человека, поскольку их следует считать выходящими за пределы допустимого воздействия отходов.

См. примечание к статье «Проблема оценки нормы и патоло!

гии состояния экосистем».

Наконец, возможен случай, когда факторы, искажающие резуль5 тат измерения, вызывают эффект, пропорциональный самому резуль5 тату измерения (как, например, при внезапном: а) массированном воздействии по «старой» связи контура – так называемая аварийная перегрузка связи, б) возникновении «новой» связи в контуре – на5 пример, непосредственное отрицательное влияние «отхода» на ка5 кой5либо биосферный процесс). Тогда совокупность оценок обычно подчиняется логнормальному распределению, т. е. распределению Гаусса следуют не сами результаты измерения, а их логарифмы. В этом случае устойчивыми в среднем оказываются не абсолютные, а относительные ошибки измерения и в качестве оценки среднего зна5 чения более представительной оказывается не среднее арифмети5 ческое (va), а среднее геометрическое значение (vg) и, как было

показано ранее [4], удобным показателем «отклонения от нормы»

может быть отношение среднего арифметического к среднему гео5 метрическому значению, т. е.

Обе концепции – альтернативных механизмов и статистической нормы – оказываются особенно пригодными для случая равновес5 ной модели биосферы (см. рис. 1б), когда потоки веществ оказыва5 ются сбалансированными, что увеличивает гомеостаз системы в целом. Это позволяет ввести в оценки состояния биосферы некото5 рые целостные системные характеристики, такие, как надежность, устойчивость и др., для анализа которых существуют разработан5 ные подходы и соответствующий математический аппарат. Однако, для «промежуточного» состояния биосферы 1975 г. (см. рис. 1б) сформулированные выше концепции представляются более полез5 ными не столько при исследовании биосферной модели в целом, сколько при анализе отдельных ее участков, относящихся к процес5 сам, регулируемым гомеостатическими механизмами.

К числу таких узловых участков следует отнести эксплуатируе5

мые и неэксплуатируемые человеком природные экосистемы ЕI и ЕII). При этом центральная проблема, решение которой ложится на плечи экологов, оказывается связанной с задачей выяснения силы со5 противления, которое способны оказать экосистемы (благодаря гомео5 статическим механизмам) воздействию отходов с учетом токсичности последних (проблема «экологического» качества отходов). Оценка спо5 собности экосистем противостоять воздействию отходов имеет целью установить предельно допустимый уровень их ввода в экосистему, т. е. тот уровень, при котором главные показатели, характеризующие состояние экосистем (прежде всего их продуктивность и устойчи5 вость), остаются в пределах нормы. В конечном счете, решение этой основной стратегической задачи прикладной экологии неизбежно от5 разится на подлинно научном обосновании допустимого масштаба

«производства» отходов в биосфере, т. е. формулировании экологи5

ческих условий поддержания равновесного состояния биосферы.

VI. Стратегическая и тактическая задачи прикладной экологии в рамках биосферной модели

Формализуя стратегическую задачу, можно сказать, что в рамках биосферной модели она сводится к необходимости изучения послед5 ствий изменений для биосферы в целом, вызванных отходами в ее экологическом звене (EI и EII). Несмотря на очевидную простоту формулировки, решение этой задачи, помимо чисто практического интереса, имеет также и философский аспект, касаясь проблемы

«целого» и «частей». Существует два альтернативных взгляда на особенности взаимоотношения целого и частей.

Первый утверждает, что целое не представляет ничего такого, чего нет в частях. Второй утверждает, что целое есть нечто большее, чем сумма частей. Системный подход, столь популярный и конструктив5 ный в науке сегодня, однозначно свидетельствует в пользу второй точки зрения, ставя знак равенства между понятиями «целое « и «си5 стема». Действительно, если рассматривать систему как совокупность упорядоченно взаимодействующих и взаимозависимых компонентов (элементов), то легко осознать, что именно связи между ними рожда5 ют и новые свойства, и эти новые свойства складываются в новые характеристики, присущие системе в целом, и тогда вся совокупность взаимодействующих элементов (частей) образует единое целое, т. е. систему. Отсюда вытекают два следствия:

1) изучение связей в системе в известном смысле оказывается более интересным и перспективным для понимания целого, чем изу5 чение свойств образующих систему элементов (частей);

2) анализ системы, которому предшествует нарушение связей

между элементами (т. е. разбор целого на части), не позволяет эф5 фективно исследовать целостное свойство системы и, следователь5 но, моделирование, как методический прием, оказывается важнейшим приемом изучения систем.

Применительно к экологическим системам, можно было бы сфор5

мулировать и третье следствие, вытекающее из постулата «целое очевидную простоту формулировки, решение этой задачи, помимо чисто практического интереса, имеет также и философский аспект, касаясь проблемы

«целого» и «частей». Существует два альтернативных взгляда на особенности взаимоотношения целого и частей.

Первый утверждает, что целое не представляет ничего такого, чего нет в частях. Второй утверждает, что целое есть нечто большее, чем сумма частей. Системный подход, столь популярный и конструктив5 ный в науке сегодня, однозначно свидетельствует в пользу второй точки зрения, ставя знак равенства между понятиями «целое « и «си5 стема». Действительно, если рассматривать систему как совокупность упорядоченно взаимодействующих и взаимозависимых компонентов (элементов), то легко осознать, что именно связи между ними рожда5 ют и новые свойства, и эти новые свойства складываются в новые характеристики, присущие системе в целом, и тогда вся совокупность взаимодействующих элементов (частей) образует единое целое, т. е. систему. Отсюда вытекают два следствия:

1) изучение связей в системе в известном смысле оказывается более интересным и перспективным для понимания целого, чем изу5 чение свойств образующих систему элементов (частей);

2) анализ системы, которому предшествует нарушение связей

между элементами (т. е. разбор целого на части), не позволяет эф5 фективно исследовать целостное свойство системы и, следователь5 но, моделирование, как методический прием, оказывается важнейшим приемом изучения систем.

Применительно к экологическим системам, можно было бы сфор5

мулировать и третье следствие, вытекающее из постулата «целое рав5 но системе»: любое биологическое исследование лишь постольку принадлежит экологии, поскольку помогает понять значение изучае5 мого явления в экосистеме. Изучение, предпринятое в другой связи (тех же особенностей живых существ или того же биологического яв5 ления) перестает быть экологическим, и относится в каждом отдель5 ном случае к другим соответствующим разделам биологических наук.

Собственно, последнее следствие ясно очерчивает круг явлений, относящихся к ведомству экологии как науки об экосистемах или, точнее, науки о системах надорганизменного уровня организации, в пределах которых сообщество организмов и окружающая среда функционируют совместно как единое целое.

Любопытно, что основная тактическая задача прикладной эколо5 гии, так сказать, «в экологическом контексте», также касается вопро5 сов взаимоотношения целого и частей и может быть сформулирована по аналогии со стратегической задачей как необходимость изучения последствий изменений для экосистемы в целом, вызванных отхода5 ми в ее отдельных участках.

Иными словами, задача сводится к определению «живучести»

экосистем в целом при локальных повреждениях отдельных функ5 ций в пределах всего рассматриваемого сообщества или полного

«омертвления» части сообщества в пределах некоторого простран5 ства. Повреждающими факторами оказываются разнообразные от5 ходы, мерой живучести экосистем выступают разнообразные показатели устойчивости (стабильности), относящиеся к экосистеме в целом или к ее частям.

Рис. 3.

Тактическая задача прикладной экологии может быть легко фор5 мализована, что облегчает последующий анализ ситуации и разработ5 ки контрольных и предупредительных мер по защите экосистем от повреждений. Пусть состояние экосистемы определяется совокупно5 стью оценок, относящихся к процессам с гомеостатическими меха5 низмами регуляции. Оценки «в норме»

 
б) an = f( n), где an – показатель асимметрии оценок функции, а n – изменение уровня возмущающего фактора;

в) an = f(An), где An – показатель асимметрии возмущающего фактора, если а priori известно или можно с достаточной степенью надежности предположить, что возмущенный фактор «в норме» также распределен нормально.

При решении формализованной задачи в общем виде следует принять во внимание особенности изучения зависимых и независи5 мых переменных в экосистемах.

VII. Особенности воздействия возмущающих факторов

Можно выделить два крайних случая, относящихся к особеннос5 тям воздействия возмущающих факторов среды на экосистемы.

Первый случай относится к повышению фонового уровня от5 дельных видов воздействия в биосферной модели, или даже – в той ее части, которая относится к экологическим системам. Повышение общего фона отдельных видов отходов производства в пределах связей, предусмотренных моделью, делает экологов довольно бес5 помощными в вопросах прогноза ожидаемых последствий в судьбе экосистем. Так, например, обнаруженная тенденция быстрого воз5 растания содержания СО2 в атмосфере нашей планеты способна

привести к самым непредвиденным и, возможно, неприятным по5

следствиям. Последние столь разнообразны по своей природе и на5 правленности, что практически осуществить надежный прогноз не представляется возможным.

Лишь в рамках модельных экспериментов эколог способен исследо5

вать отдельные частности, как, например, не будет ли повышение кон5 центрации СО2 интенсифицировать процесс фотосинтеза? Другим

полезным приемом может оказаться создание так называемых эскиз5

ных моделей, т. е. сильно упрощенных копий реального мира, позво5 ляющих выявить «узловые места» в управлении поведением систем.

В том случае, если при фоновом воздействии удается отыскать градиенты по отдельным возмущающим факторам, то возникает возможность провести по градиенту биологический анализ измене5 ний структуры экосистем по выбранным показателям — y1, y2, … ,

ym. Основной упор при этом должен быть сделан на изменении от5

носительного обилия популяций и, разумеется, на изменении видо5

вого состава биоценоза, связанного с выпадением отдельных видов. При таком подходе отыскание корреляций между уровнем воздей5 ствующего фактора хi и изменением биологических показателей yi

оказывается главным приемом отыскания связи между дозой воз5

действия и наблюдаемым откликом (доза – эффект).

Второй случай касается локального повреждения связей или уча5 стка в экосистемах конкретными видами отходов. Обычно величина сброса оказывается явно недостаточной для того, чтобы вызвать фоновые изменения в пределах большой экосистемы (биома) или даже биосферы. Примером такого загрязнителя могут служить ртуть и ее соединения, которые используются как фунгицид при протрав5 ливании семян и позднее сбрасываются в водоемы со сточными во5 дами. Соединения ртути трансформируются в окружающей среде в высокотоксическую метилртуть, которая накапливается в живых организмах и, попадая в пищу человека вместе с продуктом (обыч5 но с рыбой), может служить источником отравления населения.

Методически исследовать действие локальных загрязнителей проще, чем фоновых, так как постановка эксперимента открывает эффективные возможности для изучения связи xi с разнообразны5

ми откликами системы y1, y2, … , ym. При этом в эксперименталь5

ном исследовании выбранных показателей состояния (т. е. ym) сле5 дует учитывать одновременное действие на экосистемы многих воз5 мущающих переменных, часть из которых может быть отнесена к

фоновым, часть – к локальным и, наконец, часть – к сопутствую5 щим факторам окружающей среды (изменения, не вызванные отри5 цательным влиянием возмущений, как, например, сезонные изменения освещенности и температуры).

Для прогнозирования «судеб» поведения экосистем, оказывается совершенно необходимым учесть и количественно оценить взаимо5 действие возмущающих начал часто даже различной физической природы. Таким образом, стратегическую основу изучения экосис5 тем, в которых воздействие xn и отклик ym должны быть связаны

количественной зависимостью, может составлять многофакторный

эксперимент, планируемый на базе экономных и математически обо5 снованных схем опыта. Последние предусматривают возможность изучения одновременного и независимого друг от друга влияния большой совокупности переменных на биологические системы раз5 личной степени сложности [2].Такой эксперимент имеет целью ис5 следование вероятной, ожидаемой ситуации, которая может быть предсказана на основании тенденций изменений окружающей сре5 ды, обнаруженных при регистрации изменений во времени и про5 странстве отдельных возмущающих факторов окружающей среды [5, 6]. В результате постановки эксперимента могут быть легко по5 лучены полиномиальные модели описания, которые содержат коли5 чественные оценки взаимодействия переменных [8]. Эти оценки в дальнейшем могут быть использованы для получения приближен5 ных оценок коэффициентов в дифференциальных уравнениях при конструировании динамических моделей. (Ком.4)

VIII. Критерии биологического отклика

В предшествующем разделе при обсуждении особенностей возму5 щающих факторов как бы подразумевалось, что экологи способны довольно однозначно отличить: с одной стороны, отклик yi, выз5

ванный загрязнителем (вредное начало, отмеченное на рис. 1а штри5

ховой линией), от любых других изменений экосистемы, не связанных с загрязнением (например, сезонные изменения, сукцессии), и, с дру5 гой стороны, отклик, вызванный загрязнением и приводящий к нео5 братимым изменениям в системе (разрушению или перерождению в новую экосистему), от отклика, вызванного воздействием загрязните5 ля, с которыми система способна в итоге справиться. В этом случае мы оказываемся в состоянии исследовать вопрос, каким запасом прочнос5 ти обладает экосистема по отношению к вредному воздействию воз5 мущающих факторов. Ответ можно получить, если отобранные для

изучения и контроля показатели (т. е. зависимые переменные) доста5 точно представительны для определения состояния экосистемы.

К сожалению, установление приоритетности откликов в ряду наталкивается на многие трудности. Так, можно констатировать, что если число независимых переменных, действие которых иссле5 дуется в эксперименте, может быть довольно большим, но несом5 ненно ограниченным, то число регистрируемых откликов в ряду y1,

y2, … , ym наталкивается на многие трудности. Так, если число

независимых переменных, действие которых исследуется в экспе5

рименте, может быть довольно большим, но, несомненно, ограни5 ченным, то число регистрируемых откликов в биологических системах может быть практически бесконечным, поскольку любой признак живого может служить объектом контроля. Поэтому при выборе из бесконечного ряда ym ограниченного числа показателей сII. Критерии биологического отклика

В предшествующем разделе при обсуждении особенностей возму5 щающих факторов как бы подразумевалось, что экологи способны довольно однозначно отличить: с одной стороны, отклик yi, выз5

ванный загрязнителем (вредное начало, отмеченное на рис. 1а штри5

ховой линией), от любых других изменений экосистемы, не связанных с загрязнением (например, сезонные изменения, сукцессии), и, с дру5 гой стороны, отклик, вызванный загрязнением и приводящий к нео5 братимым изменениям в системе (разрушению или перерождению в новую экосистему), от отклика, вызванного воздействием загрязните5 ля, с которыми система способна в итоге справиться. В этом случае мы оказываемся в состоянии исследовать вопрос, каким запасом прочнос5 ти обладает экосистема по отношению к вредному воздействию воз5 мущающих факторов. Ответ можно получить, если отобранные для

изучения и контроля показатели (т. е. зависимые переменные) доста5 точно представительны для определения состояния экосистемы.

К сожалению, установление приоритетности откликов в ряду наталкивается на многие трудности. Так, можно констатировать, что если число независимых переменных, действие которых иссле5 дуется в эксперименте, может быть довольно большим, но несом5 ненно ограниченным, то число регистрируемых откликов в ряду y1,

y2, … , ym наталкивается на многие трудности. Так, если число

независимых переменных, действие которых исследуется в экспе5

рименте, может быть довольно большим, но, несомненно, ограни5 ченным, то число регистрируемых откликов в биологических системах может быть практически бесконечным, поскольку любой признак живого может служить объектом контроля. Поэтому при выборе из бесконечного ряда ym ограниченного числа показателей сun:yes’> подход определяет содержание современной экологии. Главной концепци5 ей системного подхода, несомненно, следует признать концепцию уровней. Для решения тактической задачи прикладной экологии полезно слегка расширить «экологический спектр» уровней органи5 зации, ограниченный популяциями и сообществами. Так, для нужд контроля полезно выделить следующие пять уровней биологичес5 кой организации:

1) субклеточный УI,

2) клеточный (организменный) УII,

3) популяционный УIII,

4) трофической группировки (простое сообщество) УIV,

5) сложное сообщество УV.

Первые два уровня стоят вне сферы экологического изучения,

однако, сведения о субклеточных и организменных нарушениях, по5видимому, могут быть полезны не столько для оценки состояния экосистем по выбранным Уi, сколько для установления «вредности»

возмущающего систему фактора, так как информация от УI и УII

часто необходима для получения оценок, характеризующих каче5

ство окружающей среды, т. е. «токсичность» отдельных независи5 мых переменных.

Можно видеть, что введение концепции уровней организации спо5 собно несколько сузить спектр биологических уровней, благодаря дискриминации ряда уровней – гена, ткани, органа и др. Однако, в пределах каждого уровня число возможных показателей оказывается непомерно большим. Для того чтобы существенно сузить число ото5 бранных переменных, следует дополнительно использовать сформу5 лированные выше концепции «альтернативных механизмов» и

«статистической нормы», которые позволяют ввести дискриминиру5 ющий критерий отбора зависимых переменных. Фактически, опира5 ясь на концепцию гомеостаза, этот критерий можно назвать концептуальным. С помощью концептуального критерия можно сфор5 мулировать следующие требования дискриминации, предъявляемые к зависимым переменным в пределах каждого уровня организации:

Первое требование — для контроля над состоянием биосистем

следует отбирать показатели, относящиеся только (!) к процессам с гомеостатическими механизмами регуляции.

Второе требование (при соблюдении первого требования) —

следует отдавать предпочтение Уi, характеризующим неспецифи5 ческий отклик по отношению к различным возмущающим биосисте5

мы факторам (например, повышение температуры тела животного при различных «болезнях» организма или снижение видового раз5 нообразия в пределах трофической группировки при воздействии загрязнителей).

Третье требование (при соблюдении первых двух) — предпоч5 тение следует отдавать интегральным показателям Уi и, в первую очередь, тем из них, которые быстро и надежно могут быть измере5

ны инструментально. Примером таких интегральных показателей в живой биомассе может быть содержание АТФ и хлорофилла, ха5 рактеризующих соответственно количество живого вещества и ко5 личество энергии, входящей в систему.

См. примечание к статье «Проблема оценки нормы и патоло!

гии состояния экосистем».

Следует упомянуть, что работа по отбору показателей активно проводится в лабораториях кафедры гидробиологии МГУ. Предва5 рительно можно сообщить, что пригодным показателем, удовлетво5 ряющим сформулированным выше требованиям для уровней I–V могут быть:

– для YI – мембранный потенциал клеток, измеряемый микро5 электродной техникой,

– для YII – повышение интенсивности дыхания,

– для YIII – оценка среди особей популяции билатеральной сим5

метрии в распределении признаков, время генерации, соотношение

полов, соотношение возрастных групп,

– для YIV – видовое разнообразие, содержание хлорофилла,

– для YV – содержание АТФ, соотношение продукций различ5

ных трофических группировок.

Перечисленные показатели следует рассматривать в качестве иллюстративных примеров. Отбор показателей, обоснованных кон5 цептуальным критерием, продолжается, и обсуждается их приори5 тетность. Но уже сейчас становится ясно, что число их может быть существенно ограничено. Таким образом, сформулированные кон5 цепции и требования позволяют перенести дальнейшее обсуждение в плоскость вопроса, каким образом можно интерпретировать оцен5 ки ранжированного ряда показателей Yi применительно к оценке

состояния целой экосистемы?

IX. Горизонты прикладной экологии

У В. В. Маяковского есть одно детское, хорошо известное стихот5 ворение: «Что такое хорошо, что такое плохо». Поэт справился с задачей, ответив на вопросы с помощью конкретных примеров пло5 хих и хороших человеческих поступков. Легко прослеживаются па5 раллели между поэтическим решением задачи и позицией экологов. Экологи также могут привести примеры того, что «плохо» для экоси5 стемы, как по наблюдаемым тенденциям изменения показателей (на5 пример, падения продуктивности или разнообразия), так и по особенностям разброса оценок выбранных показателей Yi, которые «

в норме» должны быть распределены нормально. Это означает, что экосистема в целом «здорова», или, по крайней мере, успешно сопро5 тивляется отрицательному воздействию возмущающих факторов. В этом случае можно считать ее устойчивой, и поэтому все значения оценок стабильности, произведенные любыми способами, очерчива5 ют область значений «нормы» экосистемы. Это, если угодно, своего рода «экологический ноль» – начало отсчета здоровья экосистемы. Гораздо вероятнее другая ситуация, когда часть показателей Yi в

пределах I–V уровней свидетельствует о «патологии», тогда как ос5

тальная часть показателей свидетельствует о «норме».

Как быть в этом случае? Какое суждение имеет право вынести эколог?

Сегодня этот вопрос совершенно не разработан, и мы вправе его

считать одним из самых трудных, самых насущных и самых важ5 ных для решения тактической задачи прикладной экологии.

«Патология» одних показателей и «норма» других выдвигает пе5

ред экологом чисто медицинскую задачу, которую решает терапевт – это задача «диагноза» болезни. Можно постулировать, что опреде5 ленные закономерные сочетания норм и патологий отдельных пока5 зателей являются специфическими для различных видов болезни экосистем, или даже специфичными по отношению к различной физической природе возмущающих факторов или загрязнителей (т. е. специфической природе «отходов» в широком смысле этого слова). Тогда совокупность особенностей в откликах Yi для всех I–V уров5

ней при воздействии одного загрязнителя (например, оловооргани5

ческие соединения) будет существенно отличаться от особенностей

«поведения» откликов при воздействии другого загрязнителя (на5 пример, хлорированные фенолы).

Если это справедливо, а это, по моему мнению, должно быть справедливым, то может быть составлен перечень признаков каж5 дой болезни. И тогда установление диагноза болезни равносильно установлению природы «возбудителя» болезни, т. е. природы воз5 мущающего воздействия. Поэтому изучение экологами специфичес5 кого действия специфических отходов по выбранным показателям позволит произвести классификацию болезней по типам изменений, происходящих в экосистемах. В свою очередь, установление перво5 причин отрицательного влияния отходов на экологическое звено позволит регулировать скорости и массы поступающих в биосферу промышленных, сельскохозяйственных и бытовых отходов.

Если удастся произвести классификацию болезней экосистем по

выбранным показателям, то последующей стадией экологического изучения экосистем в рамках решения задач прикладной экологии окажется» клиническое» изучение отдельных заболеваний, а имен5 но: 1) наблюдение за развитием болезни, т. е. ухудшением состоя5

ния экосистем и 2) наблюдение за выздоровлением, т. е. улучшени5 ем их состояния. Несомненно, потребуется организация широкого фронта экспериментальных исследований на экосистемах различ5 ного типа, чтобы «клиника» отдельных заболеваний была изучена досконально и всесторонне.

Этот «медицинский» этап экологических изучений находится се5 годня еще в зародышевом состоянии, но при современных темпах раз5 вития науки и, главным образом, большом интересе общественности к проблемам прикладной экологии, можно надеяться на относительно быстрое его завершение. Ибо время не ждет, и человечество должно свести до минимума неудобства, вызванные переходом биосферы из

«промежуточного» этапа 1975 г. к равновесному состоянию, когда тех5

носфера сегодняшнего дня превратиться в ноосферу, наступление ко5 торой предвещал В. И. Вернадский. Однако сегодня состояние биосфе5 ры и положение в ней человека представляются достаточно серьез5 ным, чтобы призывать людей на земле к осторожности. Поэтому в конце доклада я позволю себе еще раз вспомнить восхитительную дет5 скую книгу, написанную для взрослых людей: «И вот на планете Ма5 ленького принца есть ужасные, зловредные семена. Это семена баобабов. Почва планеты вся заражена ими. А если баобаб не распоз5 нать вовремя, потом от него уже не избавишься. Он завладеет всей планетой. Он пронизывает ее насквозь своими корнями. И если пла5 нета очень маленькая, а баобабов много, они разорвут ее на клочки».

Наша планета – планета людей, – как и планета Маленького

принца, также засорена «ужасными, зловредными семенами». Но это не семена баобабов, – это «отходы» хозяйственных процессов. Нельзя допустить, чтобы эти семена взошли и разорвали биосфер наблюдение за развитием болезни, т. е. ухудшением состоя5

ния экосистем и 2) наблюдение за выздоровлением, т. е. улучшени5 ем их состояния. Несомненно, потребуется организация широкого фронта экспериментальных исследований на экосистемах различ5 ного типа, чтобы «клиника» отдельных заболеваний была изучена досконально и всесторонне.

Этот «медицинский» этап экологических изучений находится се5 годня еще в зародышевом состоянии, но при современных темпах раз5 вития науки и, главным образом, большом интересе общественности к проблемам прикладной экологии, можно надеяться на относительно быстрое его завершение. Ибо время не ждет, и человечество должно свести до минимума неудобства, вызванные переходом биосферы из

«промежуточного» этапа 1975 г. к равновесному состоянию, когда тех5

носфера сегодняшнего дня превратиться в ноосферу, наступление ко5 торой предвещал В. И. Вернадский. Однако сегодня состояние биосфе5 ры и положение в ней человека представляются достаточно серьез5 ным, чтобы призывать людей на земле к осторожности. Поэтому в конце доклада я позволю себе еще раз вспомнить восхитительную дет5 скую книгу, написанную для взрослых людей: «И вот на планете Ма5 ленького принца есть ужасные, зловредные семена. Это семена баобабов. Почва планеты вся заражена ими. А если баобаб не распоз5 нать вовремя, потом от него уже не избавишься. Он завладеет всей планетой. Он пронизывает ее насквозь своими корнями. И если пла5 нета очень маленькая, а баобабов много, они разорвут ее на клочки».

Наша планета – планета людей, – как и планета Маленького

принца, также засорена «ужасными, зловредными семенами». Но это не семена баобабов, – это «отходы» хозяйственных процессов. Нельзя допустить, чтобы эти семена взошли и разорвали биосферan style=’mso-spacerun:yes’> СССР, сер. биолог.», 1974, № 3, с. 402–415.

Федоров В. Д. К стратегии биологического мониторинга. – Биологичес5 кие науки. 1974, № 10, с. 7–17.

Федоров В. Д. Биологический мониторинг: обоснование и опыт органи5 зации. – «Гидробиологический журнал». 1975, № 6.

Федоров В. Д. Концепция устойчивости биологических систем. – В кн.: Всесторонний анализ окружающей природной среды. Труды советско5амери5 канского симпозиума, Тбилиси, 1974 г. Л., Гидрометеоиздат, 1975, с. 207–217.

В сб. Всесторонний анализ окружающей природной среды.

Труды II Сов.)Амер. симп., 1976.

1. Справедливости ради следовало бы сказать, что волноваться! то начали как раз ученые, и было это еще в XIX веке (а может быть и раньше), но кто их тогда слушал?

2. Четверть века спустя вразумительный ответ на поставленный вопрос еще не получен и возникают сомнения, что он может быть полу! чен в принципе…

3. В 1976 г., когда эта статья была опубликована, мысль о том, что судьба биосферы перестала быть чисто экологической проблемой, вовсе не казалась бесспорной. Да и в настоящее время употребление всуе слова «экология» встречается достаточно часто и не только в журнали! стской практике. Недавно в своем почтовом ящике я обнаружил очеред! ной рекламный проспект некоей фирмы, производящей «экологически вкусные продукты»! Впрочем, в научном сообществе отказ от вредных привычек также оказался довольно трудным делом. Американцам потре! бовалось лет 30, чтобы более или менее четко разграничить понятия Ecology и Environmental Science. У нас после долгих поисков подходящего названия не нашлось пока ничего лучшего, чем довольно сомнительный, по! моему, термин «геоэкология».

4. Теперь стало ясным, что наши надежды на всемогущество стати! стических методов планирования многофакторных экспериментов не оп! равдались. Если число факторов (независимых переменных) превышает

6–7, эксперимент становится слишком громоздким и трудоемким (число опытов в плане должно быть более 100!), а оценки коэффициентов в полиномиальном описании получаются довольно неустойчивыми и с тру! дом поддаются содержательной интерпретации. По! видимому, более пер! спективным является многомерный анализ данных экологического мониторинга, с помощью которого можно установить некоторые эколо! гически допустимые уровни (ЭДУ) хотя бы для тех загрязняющих ве!

ществ, концентрации которых определяют при осуществлении програм! мы контроля природной среды. Как это ни парадоксально, но при реше! нии данной задачи «пассивный» эксперимент оказывается более эффек! тивным, чем «активный». Но заметим, что по сути дела речь идет об

«эксперименте», который промышленность и сельское хозяйство «про! водят» на природных экосистемах. Подробнее об этом см.: А. П. Левич, А. Т. Терехин. Метод расчета экологически допустимых уровней воздей! ствия на экосистемы (метод ЭДУ). // Водные ресурсы, 1997, №3, с. 328–

335. И не могу не отметить, что эту публикацию отделяет от данной статьи более 20 лет, а ее авторы оказались на Биологическом факуль! тете МГУ в результате счастливого стечения обстоятельств, в реша! ющей степени обязанного организационной активности В. Д. Федорова.

Материал взят из: Изменения в природных биологических системах — В. Д. Федоров