Бочка лібіха та ваше здоров'я. Основні закони та принципи екології

Закон мінімуму Лібіха.

При вивченні екологічних факторівнеобхідно акцентувати свою увагу на закономірностях, які є спільними всім організмів. До таких закономірностей відносяться правило оптимуму, правило взаємодії факторів, правило лімітуючих факторів, закони К. Лібіха та В. Шелфорда.

Одним із основоположників агрохімії німецьким хіміком Юстасом фон Лібіхом сформульовано закон мінімуму у 1840 р.

Закон мінімуму Лібіха - концепція, згідно з якою існування та витривалість організму визначається найслабшою ланкою в ланцюзі його екологічних потреб. Відповідно до закону мінімуму, життєві можливості організмів лімітують ті екологічні чинники, кількість і якість яких близькі до необхідного для організму мінімуму.

Будь-якому живому організму необхідні не лише певна температура, наявність кисню, певні мінеральні та органічні речовиниабо якісь інші фактори, а їх суворо певна кількість (наприклад, концентрація). Кожен із цих факторів має бути доступний для організмів у кількості, визначеній природою, а його зменшення призводить до того, що саме цей фактор стає лімітуючим. Наприклад, якщо в організму в акваріумі достатньо їжі, але немає кисню у воді, то фактором, що лімітує для його життєдіяльності, буде саме наявність кисню. І навпаки. Реакція організму залежить від кількості фактора – чим його менше, тим сильніша реакція. Будь-який вид тварини або рослини має чітку вибірковість до складу їжі: наприклад, рослині необхідні певні мінеральні елементи. Будь-який вид тварини по-своєму вимогливий до якості їжі. Для того, щоб нормально існувати, розвиватися, організм повинен мати весь набір необхідних факторів в оптимальних режимах та достатніх кількостях. Мінімальна кількість або повна відсутність будь-якої з необхідних речовин, що відносяться як до макро, так і до мікроелементів, веде до однакового результату - уповільнення зростання або смерті. При цьому Лібіх малював діжку з дірками, показуючи, що саме нижня дірка в бочці визначає рівень рідини в ній. Закон мінімуму справедливий всім живих організмів (риб, безхребетних, ссавців, рослин та інших.).

Лімітуючі фактори

У природі на будь-який організм діє відразу безліч (десятки та сотні) різних факторів. Є серед них і такі, що обмежують його існування. Це, передусім лімітуючі ресурси, тобто. ті, кого на всіх не вистачає. Так, розвиток рослин обмежується тим елементом, якого у ґрунті найменше (як правило, азот, фосфор, калій). При його дефіциті зростання припиняється, навіть якщо решта елементів є в надлишку. Цей "закон мінімуму". Будь-який фактор, що є в занадто малих кількостях, може виявитися найважливішим. Наприклад, у невеликому лісі чисельність одних видів птахів обмежена кількістю їжі, інших – кількістю місць, придатних для гніздування, третіх – достатком хижаків. Проте закон Лібіха «працює» далеко не завжди. Справа в тому, що різні фактори часто взаємодіють один з одним і буває важко виділити серед них якийсь один лімітуючий. Скажімо, знижена вологість і недолік поживних речовинзнижують стійкість рослин до комах-шкідників та бур'янів. Навпаки, достаток корму в містах дозволяє багатьом птахам не відлітати взимку на південь, попри холоди та короткий світловий день. Для кожного фактора середовища зазвичай є граничні (мінімальні та максимальні) значення, які здатний винести живий організм. Якщо ж говорити не просто про виживання, а про благополучне існування та розмноження, то допустимий діапазон умов виявиться ще вже. Такий діапазон називається межею толерантності цього виду організмів.

Толерантність (від грецького толерантність - терпіння) - здатність організмів витримувати зміни умов життя (коливання температури, вологості, світла).

ТЕМА 2. ОСНОВНІ ЗАКОНИ І ПРИНЦИПИ ЕКОЛОГІЇ

Завданням екології, як і будь-якої іншої науки, є пошук законів функціонування та розвитку даної галузі реальності. Історично першим для екології був закон, що встановлює залежність живих систем від факторів, що обмежують їх розвиток (так званих факторів, що лімітують).

Ю. Лібіх в 1840 році встановив, що врожай зерна часто лімітується не тими поживними речовинами, які потрібні у великих кількостях, а тими, яких потрібно небагато, але мало і в грунті. Сформульований ним закон говорив: «Речовою, що у мінімумі, управляється врожай і визначається величина і стійкість останнього у часі». Згодом до поживних речовин додали низку інших факторів, наприклад, температуру.

Дія цього закону обмежують два принципи. Перший: закон Лібіха суворо застосовується тільки в умовах стаціонарного стану. Точніше формулювання: «при стаціонарному стані лімітуючим буде та речовина, доступні кількостіякого найбільш близькі до необхідного мінімуму». Другий принцип стосується взаємодії факторів. Висока концентрація або доступність певної речовини може змінювати споживання мінімальної поживної речовини. Організм іноді замінює одну, дефіцитну речовину іншою, що є в надлишку.

Наступний закон сформульований у самій екології та узагальнює закон мінімуму.

Він формулюється так: відсутність чи неможливість розвитку екосистеми визначається як недоліком, а й надлишком будь-якого з чинників (тепло, світло, вода). Отже, організми характеризуються як екологічним мінімумом, і максимумом. Занадто багато хорошого теж погано. Діапазон між двома величинами становить межі толерантності, у яких організм нормально реагує вплив середовища. Закон толерантності запропонував В. Шелфорд у 1913 році. Можна сформулювати ряд пропозицій, що доповнюють його:

1. Організми можуть мати широкий діапазон толерантності щодо одного фактора та вузький щодо іншого.

2. Організми з широким діапазоном толерантності до всіх факторів зазвичай найпоширеніші.

3. Якщо умови по одному екологічному фактору не є оптимальними для виду, то може звузитися діапазон толерантності до інших екологічних факторів.

4. У природі організми дуже часто виявляються в умовах, що не відповідають оптимальному значеннютого чи іншого фактора, визначеного у лабораторії.

5. Період розмноження зазвичай є критичним; у цей період багато факторів середовища часто виявляються лімітуючими.

Живі організми змінюють умови середовища, щоб послабити лімітуючий вплив фізичних факторів. Види з широким географічним поширенням утворюють адаптовані до місцевих умов популяції, які називаються екотипами. Їхні оптимуми та межі толерантності відповідають місцевим умовам. Залежно від того, чи закріплені екотипи генетично, можна говорити про утворення генетичних рас або про просту фізіологічну акліматацію.

Найбільш важливими факторами на суші є світло, температура та вода (опади), а в морі – світло, температура та солоність. Ці фізичні умовиіснування можуть бути лімітуючими та такими, що впливають сприятливо. Усі чинники середовища залежить один від одного і діють узгоджено.

З інших факторів, що лімітують, можна відзначити атмосферні гази(вуглекислий газ, кисень) та біогенні солі. Формулюючи «закон мінімуму», Лібіх і мав на увазі лімітуючий вплив життєво важливих хімічних елементівприсутні в середовищі в невеликих і непостійних кількостях. Вони називаються мікроелементами і до них належать залізо, мідь, цинк, бор, кремній, молібден, хлор, ванадій, кобальт, йод, натрій. Багато мікроелементів подібно до вітамінів діють як каталізатори. Фосфор, калій, кальцій, сірка, магній, які потрібні організмам у великих кількостях, називаються макроелементами.

Важливим фактором, що лімітує, в сучасних умовах є забруднення природного середовища. Воно відбувається в результаті внесення в середовище речовин, яких у ньому або не було (метали, нові синтезовані хімічні речовини) і які не розкладаються зовсім, або існуючих у біосфері (наприклад, вуглекислий газ), але вносяться у надмірно великих кількостях, що не дають можливості їх переробити природним способом. Образно кажучи, забруднюючі речовини – це ресурси не так на своєму місці. Забруднення призводить до небажаної зміни фізичних, хімічних та біологічних характеристик середовища, що надає несприятливий вплив на екосистеми та людину. Ціна забруднення – здоров'я, ціна в тому числі прямому значеннівитрат за його відновлення. Забруднення збільшується як у результаті зростання населення та його потреб, так і в результаті використання нових технологій, які обслуговують ці потреби. Воно буває хімічним, тепловим, шумовим.

Головний лімітуючий фактор, за Ю. Одумом, – розміри та якість «ойкосу», або нашої «природної обителі», а не просто кількість калорій, які можна вичавити із землі. Ландшафт не лише склад запасів, а й будинок, у якому ми живемо. «Слід прагнути до того, щоб зберегти щонайменше третину всієї суші як охоронюваного відкритого простору. Це означає, що третина всього нашого довкілля повинні становити національні або місцеві парки, заповідники, зелені зони, ділянки дикої природиі т.п." (Ю. Одум. Основи ... с. 541). Обмеження використання землі є аналогом природного регулюючого механізму, який називається територіальною поведінкою. За допомогою цього механізму багато видів тварин уникають скупченості і стресу, що викликається нею.

Територія, необхідна одній людині, за різними оцінками коливається від 1 до 5 га. Друга з цих цифр перевершує площу, яка припадає нині на одного жителя Землі. Щільність населення наближається до людини на 2 га суші. Придатні ж для сільського господарствалише 24% суші. «Хоча з площі лише 0,12 га можна отримати достатньо калорій, щоб підтримати існування однієї людини, для повноцінного харчування з великою кількістюм'яса, фруктів та зелені необхідно близько 0,6 га на особу. Крім того, потрібно ще близько 0,4 га для виробництва різного родуволокна (папір, деревина, бавовна) та ще 0,2 га для доріг, аеропортів, будівель тощо» (Ю. Одум. Основи ... с. 539). Звідси концепція «золотого мільярда», відповідно до якої оптимальною кількістю населення є 1 млрд осіб, і, отже, вже зараз близько 5 млрд «зайвих людей». Людина вперше за свою історію зіткнулася із граничними, а не локальними обмеженнями.

Подолання лімітуючих факторів потребує величезних витрат речовини та енергії. Для подвоєння врожаю необхідно десятикратне збільшення кількості добрив, отрутохімікатів та потужності (тварини або машини).

До лімітуючих чинників і чисельність популяції. Це узагальнюється у принципі Оллі: «ступінь агрегації (як і, як і загальна щільність), коли він спостерігається оптимальне зростанняі виживання популяції, варіює залежно від виду та умов, тому як „недонаселеність“ (або відсутність агрегації), так і перенаселеність може мати лімітуючий вплив». Деякі екологи вважають, що принцип Оллі додамо і до людини. Якщо це, то звідси виникає потреба у визначенні максимальної величини міст, стрімко зростаючих нині.

Цей законформулюється так: два види, що займають одну екологічну нішу, не можуть співіснувати в одному місці необмежено довго. Те, який вид перемагає, залежить від зовнішніх умов. У подібних умовах перемогти може кожен. Важливою для перемоги обставиною є швидкість зростання популяції. Нездатність виду до біотичної конкуренції веде для його відтіснення та необхідності пристосування до більш важких умов та факторів.

Закон конкурентного виключення може працювати і в людському суспільстві. Особливість його дії нині у тому, що цивілізації що неспроможні розійтися. Їм нема куди піти зі своєї території, тому що в біосфері немає вільного місця для розселення і немає надлишку ресурсів, що призводить до загострення боротьби з усіма наслідками, що звідси випливають. Можна говорити про екологічне суперництво між країнами і навіть екологічні війни або війни, зумовлені екологічними причинами. Свого часу Гітлер виправдовував агресивну політику нацистської Німеччиниборотьбою за життєвий простір. Ресурси нафти, вугілля тощо і тоді були важливі. Ще більшу вагу вони матимуть у ХХІ столітті. До того ж додалася потреба територій для поховання радіоактивних та інших відходів. Війни – гарячі та холодні – набувають екологічного забарвлення. Багато подій у сучасної історіїНаприклад, розпад СРСР сприймаються по-новому, якщо на них подивитися з екологічних позицій. Одна цивілізація може не тільки завоювати іншу, але використовувати її для корисливих з екологічного погляду цілей. Це буде екологічний колоніалізм. Так переплітаються політичні, соціальні та екологічні проблеми.

Одним із головних досягнень екології стало відкриття, що розвиваються не лише організми та види, а й екосистеми. Послідовність угруповань, що змінюють один одного в даному районі, називається сукцесією. Сукцесія відбувається внаслідок зміни фізичного середовищапід впливом співтовариства, т. е. контролюється їм. Заміщення видів в екосистемах викликається тим, що популяції, прагнучи модифікувати довкілля, створюють умови, сприятливі інших популяцій; це триває доти, доки не буде досягнуто рівноваги між біотичними та абіотичними компонентами. Розвиток екосистем багато в чому аналогічний до розвитку окремого організмуі в той же час подібно до розвитку біосфери в цілому.

Сукцесія в енергетичному сенсі пов'язана з фундаментальним зрушенням потоку енергії у бік збільшення кількості енергії, спрямованої на підтримку системи. Сукцесія складається зі стадій зростання, стабілізації та клімаксу. Їх можна розрізняти на основі критерію продуктивності: на першій стадії продукція зростає до максимуму, на другій залишається постійною, третьою зменшується до нуля в міру деградації системи.

Найбільш цікава різниця між зростаючими та зрілими системами, які можна представити у вигляді наступної таблиці.

Зверніть увагу на зворотну залежністьміж ентропією та інформацією, а також на те, що розвиток екосистем йде у напрямку підвищення їх стійкості, що досягається за рахунок збільшення різноманітності. Поширивши цей висновок на всю біосферу, отримуємо відповідь на питання, навіщо потрібні 2 млн. видів. Можна думати (так до екології і вважали), що еволюція веде до заміни одних менш складних видів іншими, аж до людини як вінця природи. Менш складні види, давши дорогу складнішим, стають непотрібними. Екологія зруйнувала цей зручний для людини міф. Тепер ясно, чому небезпечно, як робить сучасна людина, зменшувати різноманіття природи.

Одне і навіть двовидові спільноти дуже нестабільні. Нестабільність означає, що можуть відбуватися великі коливання густини популяцій. Ця обставина детермінує еволюцію екосистеми до зрілого стану. На зрілій стадії збільшується регуляція на кшталт зворотнього зв'язкуяка спрямована на підтримку стабільності системи.

Висока продуктивність дає низьку надійність – це ще одне формулювання основного закону екології, з якого випливає таке правило: «оптимальна ефективність завжди менша за максимальну». Різноманітність відповідно до основного закону екології безпосередньо пов'язана зі стійкістю. Однак поки не відомо, наскільки цей зв'язок є причинно-наслідковим.

Спрямованість еволюції співтовариства веде до посилення симбіозу, збереження біогенних речовин, підвищення стабільності та змісту інформації. Загальна стратегія «спрямована на досягнення такої великої та різноманітної органічної структурияка тільки можлива в межах, встановлених доступним припливом енергії та переважаючими фізичними умовами існування (ґрунт, вода, клімат тощо)» (Ю. Одум. Основи... с. 332).

Стратегія екосистем - "найбільший захист", стратегія людини - "максимум продукції". Суспільство прагне отримати з території, що освоюється, максимальний урожай і для здійснення своєї мети створює штучні екосистеми, а також уповільнює розвиток екосистем на ранніх стадіяхсукцесії, на яких можна зібрати максимальний урожай Самі ж екосистеми прагнуть розвиватися у напрямку досягнення максимальної стабільності. Для підтримки максимального енергетичного виходу, швидкого зростаннята досягнення високої стабільності природних систем необхідна низька ефективність. Звертаючи розвиток екосистем назад і наводячи їх тим самим нестійкий стан, людина змушена підтримувати «порядок» у системі, і витрати на це можуть перевищити вигоду, що отримується при переведенні екосистеми в нестабільний стан. Будь-яке підвищення людиною ефективності екосистеми призводить до підвищення витрат на її підтримку, аж до якоїсь межі, коли подальше підвищенняефективності невигідно через занадто велике зростання витрат. Необхідно, таким чином, досягнення не максимального, а оптимального ККД екосистем, щоб підвищення їхньої продуктивності не призводило до втрати стабільності і результат виявлявся економічно виправданим.

У стійких екосистемах великі втрати енергії, що проходить через них. А екосистеми, що втрачають менше енергії (системи з меншим числом трофічних рівнів) менш стійкі. Які системи слід розвивати? Необхідно визначити такий оптимальний варіант, у якому екосистема досить стійка й те водночас втрати енергії у ній дуже великі.

Як показує історія перетворювальної діяльностілюдини та наука екологія, всі крайні варіанти, як правило, не є найкращими. Стосовно пасовищ поганий і «перевипас» (приводив, як вважають науковці, до загибелі цивілізацій) і «недовипас» худоби. Останнє відбувається тому, що за відсутності прямого споживання живих рослин детрит може накопичуватися швидше, ніж його розкладання мікроорганізмами, і це уповільнює кругообіг мінеральних речовин.

Цей приклад підходить під міркування більш загального характеру. Вплив людини на природне середовище часто супроводжується зменшенням різноманітності у природі. За допомогою цього досягається максимізація врожаю та підвищення можливостей управління цією частиною природи. Відповідно до сформульованого в кібернетиці закону необхідного розмаїття у людства два варіанти підвищення можливостей управління природним середовищем: або зменшувати розмаїття в ній, або збільшувати своє внутрішня різноманітність(шляхом розвитку культури, вдосконалення розумових та психосоматичних якостей самої людини). Другий шлях, звичайно, кращий. Різноманітність у природі – необхідність, а не лише «приправа» для життя. Легкість першого шляху оманлива, хоча він широко використовується. Питання, наскільки збільшення можливостей управління екосистемами шляхом зменшення різноманітності у природі компенсує зменшення здатності екосистем до саморегуляції. Знову ж таки має бути знайдений оптимум між потребами управління в Наразіта потребами збереження різноманітності у природному середовищі.

Проблема оптимізації взаємовідносин людини та природного середовища має ще один важливий аспект. Практика природоперетворювальної діяльності людини підтверджує положення, що між змінами природного середовища та людини існує тісний зв'язок. Тому проблему управління природним середовищем можна розглядати у певному сенсі як проблему управління біологічною еволюцією людини через зміни природного середовища. Сучасна людина може впливати на свою біологію як генетичним шляхом ( генна інженерія), і екологічним (через зміна природного середовища). Наявність зв'язку між екологічними процесами та процесами біологічної еволюціїлюдини вимагає, щоб екологічна проблемарозглядалася також з точки зору того, яким ми хочемо бачити людину майбутнього. Ця галузь дуже цікава як учених, так фантастів, але тут виникає багато як технічних, а й соціальних, моральних проблем.

Оптимізація – науково-технічний термін. Але чи можна в рамках виключно науки і техніки знайти вирішення обговорюваних вище проблем? Ні, сама наука і техніка мають мати загальнокультурні та соціальні орієнтири, які ними конкретизуються. У вирішенні проблем оптимізації наука і техніка є своєрідним інструментом, і перш, ніж його застосовувати, треба вирішити, як і для здійснення яких цілей ним користуватися.

Навіть прості, начебто, випадки розрахунку оптимальних варіантів використання, скажімо, будь-якого ресурсу залежить від цього, який критерій оптимізації використовується. К. Уатт описує приклад оптимізації системи водного басейну, відповідно до якої відбувається повне вичерпання ресурсів у найкоротший час (К. Уатт. Екологія та управління природними ресурсами. М., 1971, с. 412). Приклад свідчить про важливість критерію оптимізації. Але останній залежить від пріоритетів, які різні для різних соціальних груп. Цілком зрозуміло, що критерії особливо відрізняються, коли йдеться про оптимізацію біологічної еволюції самої людини (більш-менш твердо можна назвати один досить невизначений критерій оптимізації - збереження та розвиток біосфери та людського роду).

У природі існують як би природні силистратифікації, які ведуть до ускладнення екосистем та створення все більшого розмаїття. Дії всупереч цим силам відкидають екосистеми назад. Різноманітність природним чиномзростає, але не будь-яке, а інтегроване. Якщо якийсь вигляд увійдев екосистему, то він може і зруйнувати її стабільність (як зараз людина), якщо не буде інтегрована до неї. Тут простежується цікава аналогія між розвитком екосистеми та розвитком організму та людського суспільства.

Серед законів природи зустрічаються звичайні в науці закони детерміністського типу, які жорстко регулюють взаємовідносини між компонентами екосистеми, але більшість є законами як тенденції, які діють не у всіх випадках. Вони нагадують у якомусь сенсі юридичні закони, які перешкоджають розвитку суспільства, якщо порушуються зрідка деякою кількістю людей, але заважають нормальному розвитку, якщо порушення стають масовими. Є й закони-афоризми, які можна зарахувати до типу законів як обмеження різноманітності:

1. Закон емерджентності: ціле має особливі властивості, відсутні в його частин.

2. Закон необхідної різноманітності: система не може складатися з абсолютно ідентичних елементів, але може мати ієрархічну організацію та інтеграційні рівні.

3. Закон незворотності еволюції: організм (популяція, вид) неспроможна повернутися до колишнього стану, здійсненому серед його предков.

4. Закон ускладнення організації: історичний розвиток живих організмів призводить до ускладнення їх організації шляхом диференціації органів та функцій.

5. Біогенетичний закон (Е. Геккель): онтогенез організму є коротке повторення філогенезу цього виду, тобто індивід у своєму розвитку повторює скорочено історичний розвиток свого виду.

6. Закон нерівномірності розвитку елементів системи: системи рівня ієрархії розвиваються не суворо синхронно – тоді як одні досягають вищої стадії розвитку, інші залишаються менш розвиненому стані. Цей закон безпосередньо пов'язаний із законом необхідного розмаїття.

7. Закон збереження життя: життя може існувати тільки в процесі руху через живе тілопотоку речовин, енергії, інформації.

8. Принцип збереження упорядкованості (І. Пригожин): у відкритих системах ентропія не зростає, а зменшується доти, доки не досягається мінімальна постійна величиназавжди велика нуля.

9. Принцип Ле Шательє - Брауна: при зовнішньому впливі, що виводить систему зі стану стійкої рівноваги, ця рівновага зміщується в тому напрямку, при якому ефект зовнішнього впливупослаблюється. Цей принцип у рамках біосфери порушується сучасною людиною. «Якщо наприкінці минулого століття ще відбувалося збільшення біологічної продуктивностіі біомаси у відповідь на зростання концентрації вуглекислого газу в атмосфері, то з початку ХХ століття це явище не виявляється. Навпаки, біота викидає вуглекислий газ, а біомаса її автоматично знижується» (Н. Ф. Реймерс. Надії... с. 55).

10. Принцип економії енергії (Л. Онсагер): при ймовірності розвитку процесу в деякій кількості напрямків, що допускаються початками термодинаміки, реалізується те, що забезпечує мінімум розсіювання енергії.

11. Закон максимізації енергії та інформації: найкращими шансами на самозбереження має система, найбільшою міроющо сприяє надходженню, виробленню та ефективному використаннюенергії та інформації; максимальне надходження речовини не гарантує системі успіху конкурентної боротьби.

12. Періодичний закон географічної зональностіА. А. Григор'єва – Н. Н. Будико: зі зміною фізико-географічних поясів Землі аналогічні ландшафтні зони та деякі загальні властивостіперіодично повторюються, т. е. у кожному поясі – субарктичному, помірному, субтропічному, тропічному та екваторіальному – відбувається зміна зон за схемою: ліси? степу? пустелі.

13. Закон розвитку системи за рахунок навколишнього середовища: будь-яка система може розвиватися тільки за рахунок використання матеріально-енергетичних та інформаційних можливостей навколишнього середовища; абсолютно ізольований саморозвиток неможливий.

14. Принцип заломлення чинного чинника в ієрархії систем: фактор, що діє систему, переломлюється через всю ієрархію її підсистем. З огляду на наявність у системі «фільтрів» даний чинник або послаблюється, або посилюється.

15. Правило згасання процесів: зі збільшенням ступеня рівноважності з довкіллямабо внутрішнього гомеостазу (у разі ізольованості системи) динамічні процесиу системі згасають.

16. Закон фізико-хімічної єдності живої речовини В. І. Вернадського: усі жива речовинаЗемлі фізико-хімічно єдине, що не виключає біогеохімічних відмінностей.

17. Термодинамічний правило Вант-Гоффа - Арреніуса: підйом температури на 10 ° С призводить до двох-триразового прискорення хімічних процесів. Звідси небезпека підвищення температури внаслідок господарської діяльностісучасної людини.

18. Правило Шредінгера «про харчування» організму негативною ентропією: упорядкованість організму вище навколишнього середовища, і організм віддає в середу більше невпорядкованості, ніж отримує. Це правило співвідноситься із принципом збереження упорядкованості Пригожина.

19. Правило прискорення еволюції: зі зростанням складності організації біосистем тривалість існування виду загалом скорочується, а темпи еволюції зростають. Середня тривалістьіснування виду птахів – 2 млн. років, виду ссавців – 800 тис. років. Число вимерлих видів птахів і ссавців у порівнянні з усією їх кількістю велике.

20. Принцип генетичної преадаптації: здатність до пристосування в організмів закладена спочатку та обумовлена ​​практичною невичерпністю генетичного коду. У генетичному різноманітті завжди є необхідні адаптації варіанти.

21. Правило походження нових видів від неспеціалізованих предків: нові великі групи організмів беруть початок не від спеціалізованих представників предків, а від їх порівняно неспеціалізованих груп.

22. Принцип дивергенції Ч. Дарвіна: філогенез будь-якої групи супроводжується поділом її на ряд філогенетичних стволів, які розходяться в різних адаптивних напрямках від середнього вихідного стану.

23. Принцип прогресуючої спеціалізації: група, яка вступає на шлях спеціалізації, як правило, у подальшому розвитку йтиме шляхом все більш глибокої спеціалізації.

24. Правило більш високих шансів вимирання глибоко спеціалізованих форм (О. Марш): швидше вимирають більш спеціалізовані форми, генетичні резерви яких для подальшої адаптації знижено.

25. Закон збільшення розмірів (зростання) та ваги (маси) організмів у філогенетичній галузі. «Ст. І. Вернадський так сформулював цей закон: „У міру перебігу геологічного часу виживаючі форми збільшують свої розміри (а отже, і вагу) і потім вимирають“. Відбувається це тому, що чим дрібніше особини, тим важче їм протистояти процесам ентропії (що ведуть до рівномірному розподілуенергії), закономірно організовувати енергетичні потокидля здійснення життєвих функцій. Еволюційно розмір особин тому збільшується (хоча і є дуже стійким морфофізіологічним явищем у короткому інтервалі часу)» (Н. Ф. Реймерс. Надії... с. 69).

26. Аксіома адаптованості Ч. Дарвіна: кожен вид адаптований до строго певної, специфічної йому сукупності умов існування.

27. Екологічне правило С. С. Шварца: кожна зміна умов існування прямо чи опосередковано викликає відповідні зміни у способах реалізації енергетичного балансу організму.

28. Закон відносної незалежності адаптації: висока адаптивність до одного з екологічних факторів не дає такого ж ступеня пристосування до інших умов життя (навпаки, вона може обмежувати ці можливості через фізіолого-морфологічні особливості організмів).

29. Закон єдності «організм – середовище»: життя розвивається внаслідок постійного обміну речовиною та інформацією з урахуванням потоку енергії у сукупному єдності середовища проживання і населяючих її організмів.

30. Правило відповідності умов середовища генетичної зумовленості організму: вид може існувати до тих пір і остільки, оскільки навколишнє середовище відповідає генетичним можливостям пристосування цього виду до її коливань та змін.

31. Закон максимуму біогенної енергії (ентропії) В.І. Вернадського – Е.С. .

32. Закон тиску середовища життя, або обмеженого зростання (Ч. Дарвін): є обмеження, що перешкоджають тому, щоб потомство однієї пари особин, розмножуючись в геометричній прогресії, заполонило всю земну кулю.

33. Принцип мінімального розміру популяцій: існує мінімальний розмір популяції, нижче якого чисельність неспроможна опускатися.

34. Правило представництва роду одним видом: в однорідних умовах та на обмеженій території таксономічний рід, як правило, представлений лише одним видом. Очевидно, це з близькістю екологічних ніш видів одного роду.

35. Правило А. Уоллеса: у міру просування з півночі на південь видова різноманітністьзбільшується. Причина в тому, що північні біоценози історично молодші і знаходяться в умовах меншого надходження енергії від Сонця.

36. Закон збіднення живої речовини в острівних його згущення (Г. Ф. Хільмі): «індивідуальна система, що працює в середовищі з рівнем організації нижчим, ніж рівень самої системи, приречена: поступово втрачаючи структуру, система через деякий час розчиниться в навколишньому середовищі »(Г. Ф. Хільмі. Основи фізики біосфери. Л., 1966, с. 272). З цього випливає важливий висновок для людської природоохоронної діяльності: штучне збереження екосистем малого розміру (на обмеженій території, наприклад заповідника) веде до їхньої поступової деструкції і не забезпечує збереження видів та угруповань.

37. Закон піраміди енергій (Р. Ліндеман): з одного трофічного рівня екологічної піраміди переходить на інший, більше високий рівеньв середньому близько 10% енергії, що надійшла на попередній рівень. Зворотний потік з більш високих на більш низькі рівнінабагато слабше - не більше 0,5-0,25%, і тому говорити про кругообіг енергії в біоценозі не доводиться.

38. Правило біологічного посилення: при переході на більш високий рівень екологічної піраміди накопичення ряду речовин, у тому числі токсичних та радіоактивних, збільшується приблизно у такій самій пропорції.

39. Правило екологічного дублювання: зниклий чи знищений вид у межах рівня екологічної піраміди замінює інший, аналогічний за схемою: дрібний змінює великого, нижче організований – більш високо організованого, більш генетично лабільний і мутабельний – менш генетично мінливого. Особи подрібнюються, але Загальна кількістьбіомаси збільшується, тому що ніколи слони не дадуть тієї біомаси та продукції з одиниці площі, яку здатні дати сарана та ще дрібніші безхребетні.

40. Правило біоценотичної надійності: надійність біоценозу залежить від його енергетичної ефективності в умовах середовища і можливості структурно-функціональної перебудови у відповідь на зміну зовнішніх впливів.

41. Правило обов'язковості заповнення екологічних ніш: екологічна ніша, що пустує, завжди і обов'язково буває природно заповнена («природа не терпить порожнечі»).

42. Правило екотону, або крайового ефекту: на стиках біоценозів збільшується число видів та особин у них, тому що зростає кількість екологічних ніш через виникнення на стиках нових системних властивостей.

43. Правило взаємопристосованості організмів у біоценозі К. Мёбиуса – Р. Ф. Морозова: види у біоценозі пристосовані одне одному настільки, що й співтовариство становить внутрішньо суперечливе, але єдине і взаємно пов'язане ціле.

44. Принцип формування екосистеми: тривале існування організмів можливе лише рамках екологічних систем, де їх компоненти та елементи доповнюють один одного та взаємно пристосовані.

45. Закон сукцесійного уповільнення: процеси, що у зрілих рівноважних екосистемах, що у стійкому стані, зазвичай, виявляють тенденцію до зниження темпів.

46. ​​Правило максимуму енергії підтримки зрілої системи: сукцесія йде у напрямку фундаментального зсуву потоку енергії у бік збільшення її кількості, спрямованої на підтримку системи.

47. Закон історичного саморозвитку біосистем (Е. Бауер): розвиток біологічних систем є результатом їх збільшення зовнішньої роботи- Вплив цих систем на навколишнє середовище.

48. Правило константності числа видів у біосфері: число видів, що з'являються, в середньому дорівнює числу вимерлих, і загальна видова різноманітність у біосфері є константа. Це справедливо для сформованої біосфери.

49. Правило множинності екосистем: множинність конкурентно-взаємодіючих екосистем є обов'язковою для підтримки надійності біосфери.

З цих екологічних законівслідують висновки, справедливі для системи «людина – природне середовище». Вони ставляться до типу закону як обмеження різноманітності, т. е. накладають обмеження на природоперетворювальну діяльність людини.

1. Правило історичного зростання продукції за рахунок сукцесійного омолодження екосистем. Це правило, по суті, випливає з основного закону екології і вже перестає працювати, оскільки людина взяв у такий спосіб від природи усе, що могла.

2. Закон бумеранга: все, що витягнуто з біосфери людською працею, має бути повернено їй.

3. Закон незамінності біосфери: біосферу не можна замінити штучним середовищемяк, скажімо, не можна створити нові види життя. Людина неспроможна побудувати вічний двигун, тоді як біосфера і є практично «вічний» двигун.

4. Закон спадної природної родючості: «у зв'язку з постійними вилученнями врожаю, а тому органіки та хімічних елементів із ґрунту, порушенням природних процесівґрунтоутворення, а також при тривалій монокультурі внаслідок накопичення токсичних речовин, що виділяються рослинами (самоотруєння ґрунтів), на культивованих землях відбувається зниження природної родючості ґрунтів... до теперішнього часу приблизно половина орних угідь світу різною мірою втратила родючість, а повністю вибуло з інтенсивного сільськогосподарського обороту стільки ж земель, скільки зараз обробляється (у 80 -е рр. губилося близько 7 млн ​​га на рік) »(Н. Ф. Реймерс. Надії ... с. 160-161). Друге тлумачення закону спадної природної родючості наведено в розділі 1: кожний наступний додаток будь-якого корисного для організму фактора дає менший ефект, ніж результат, отриманий від попередньої дози того ж фактора.

5. Закон крокреневої шкіри: глобальний вихідний природно-ресурсний потенціалв ході історичного розвитку безперервно виснажується. Це випливає з того, що жодних принципово нових ресурсів, які могли б з'явитися, нині немає. «Для життя кожної людини на рік необхідно 200 т твердих речовин, які вона за допомогою 800 т води та в середньому 1000 Вт енергії перетворює на корисний для себе продукт» (Там же, с. 163). Все це людина бере з вже наявного в природі.

6. Принцип неповноти інформації: «інформація при проведенні акцій з перетворення та взагалі будь-якій зміні природи завжди недостатня для апріорного судження про всіх можливі результатитаких дій, особливо в далекій перспективі, коли розвинуться всі природні ланцюгові реакції»(Там же, с. 168).

7. Принцип оманливого благополуччя: перші успіхи у здійсненні мети, заради якої і був задуманий проект, створюють атмосферу благодушності та змушують забути про можливі негативні наслідки, на які ніхто не чекає.

8. Принцип віддаленості події: нащадки щось вигадають для запобігання можливим негативним наслідкам.

Питання, наскільки закони екології можна переносити на взаємини людини з довкіллям, залишається відкритим, оскільки людина відрізняється від інших видів. Наприклад, більшість видів швидкість зростання популяції зменшується зі збільшенням її щільності; у людини, навпаки, зростання населення цьому випадку прискорюється. Отже, деякі регулюючі механізми природи відсутні в людини, і це може бути додатковим приводом для технологічного оптимізму в одних, а для екологічних песимістів свідчити про небезпеку такої катастрофи, яка неможлива для жодного іншого виду.

Діти починають отримувати в початковій школі, а в засобах масової інформації питання екології займають не останнє місце, екологія все ще залишається молодою, складною та загадковою наукою. Її наукова базане така велика, а складні моделізаплутані. Проте знання та розуміння основних законів у цій галузі – це основа світогляду сучасної людини. У цій статті буде розглянуто один із головних законів екології - закон мінімуму, сформульований задовго до формування самої науки.

До історії відкриття

Закон мінімуму сформулював у 1840 році видатний хімік, професор Гессенського Юстас фон Лібіх. Цей вчений та видатний педагог відомий ще й винаходом холодильника Лібіха, яким і сьогодні користуються у хімічних лабораторіях для фракційного поділу. хімічних сполук. Його книга «Хімія у додатку до землеробства» фактично дала початок науці агрохімії, а йому – титул барона та два ордени Святої Анни. Лібіх вивчав виживання рослин та роль хімічних добавок у її підвищенні. Так було сформульовано закон мінімуму чи лімітуючого чинника, який виявився вірним всім біологічних систем. І не лише для біологічних, що продемонструємо на прикладах.

Трохи теорії

Зона комфорту

Найчастіше екологічні чинники переносяться організмами деяких межах, які обмежені пороговими показниками, за якими настає пригнічення життєдіяльності організму. Це критичні точкиіснування. Між ними знаходяться зони толерантності (терпимості) та зона оптимуму (комфорту) – діапазон сприятливого впливу фактора. Точки мінімуму та максимуму впливу екологічного фактора визначають можливості реакції організму на конкретний фактор. Вихід за межі зони оптимуму може призвести до наступного:

• усунення виду з конкретного ареалу (наприклад зсув популяційного ареалу або міграція виду);
• зміна плодючості та смертності (наприклад, при різких змінумов довкілля);
• до адаптації (пристосування) та виникнення нових видів з новими фенотиповими та генетичними особливостями.

Суть закону мінімуму

Життя біологічної системи, Чи то організм або популяція, залежить від дії безлічі факторів біотичного та абіотичного характеру. Формулювання закону мінімуму може варіювати, але суть залишається постійною: коли який-небудь фактор суттєво відхиляється від норми, то саме він стає найбільш значущим для системи та найкритичним для життя. При цьому лімітуючими факторами для організму різні періодичасу можуть виступати різні показники.

Варіанти можливі

Усі живі організми живуть та пристосовуються до комплексу факторів навколишнього середовища. І вплив чинників цього комплексу завжди нерівнозначний. Чинник може бути провідним (дуже важливим) або другорядним. Провідними різних організмів будуть різні чинники, а різні періоди життя одного організму йому основними можуть бути певні екологічні чинники. Крім того, одні й ті ж фактори можуть бути лімітуючими для одних організмів і не лімітуючими для інших. Наприклад, сонячне світло для рослин – це необхідний елементдля забезпечення процесів фотосинтезу. А ось для грибів, ґрунтових сапротрофів чи глибоководних тварин він зовсім не обов'язковий. Або наявність кисню у воді буде а його наявність у ґрунті – ні.

Умови застосування

Закон мінімуму обмежений у застосуванні двома допоміжними принципами:

1. Закон застосовується без уточнень тільки до рівноважних систем, а саме лише в умовах стаціонарного стану системи, коли обмін енергією та речовинами системи з навколишнім середовищем регулюється їх витіканням.
2. Другий принцип застосування закону мінімуму пов'язаний із компенсаторними можливостями організмів та систем. У певних умовлімітуючий фактор може бути замінений не лімітуючим, але присутнім у достатньому чи високому змісті. Це призведе до зміни потреби у тій речовині, яка є в мінімальній кількості.

Наочна ілюстрація

Наочно показує дію цього закону діжка, названа ім'ям вченого. У цій поламаній бочці лімітуючий фактор – це висота дощок. Відповідно до екологічного закону мінімуму ремонту її необхідно починати з найменшої дошки. Саме вона і є тим фактором, який найбільше відійшов від нормальних значень, оптимальних для виживання організму. Без усунення впливу цього чинника немає сенсу наповнювати бочку - інші чинники негаразд істотно впливають у час.

Де тонко – там і рветься

Саме це прислів'я передає суть закону мінімуму в екології і не лише. Наприклад, у сільському господарстві враховуються показники вмісту мінеральних речовин у ґрунтах. Якщо грунті лише 20 % фосфору від норми, кальцію - 50 %, а калію -95 %, то вносити треба насамперед добрива, які містять фосфор. У дикій природі для оленя влітку лімітуючим чинником буде кількість їжі, а взимку – висота снігового покриву. Або для сосни, яка росте в тінистому лісі, обмежуючим фактором буде світло, на сухому піщаному ґрунті – вода, а у болотистій місцевості – температура влітку.

Ще такий приклад, який не відноситься до екології. Якщо правий захисник у команді є найслабшим, саме з його флангу найімовірніше прорветься противник. Це вірно у спорті, у мистецтві, у бізнесі. Суттєвою помилкою бізнесменів часто стає недооцінка шкоди, яку завдає слабкий працівник навіть на другорядних посадах. Адже недарма кажуть, що якість фірми визначається якістю її найгірших співробітників. А міцність ланцюжка завжди залежить від її найслабшої ланки.

Закони екології- загальні закономірності та принципи взаємодії людського суспільства з природним середовищем.

Значення цих законів полягає у регламентації характеру та спрямованості людської діяльностіу межах екосистем різного рівня. Серед законів екології, сформульованих різними авторами, найбільшу популярність здобули чотири закони-афоризми американського вченого-еколога Баррі Коммонера (1974):

• «все пов'язано з усім»(Закон загального зв'язку речей та явищ у природі);
• «все має кудись подітися»(Закон збереження маси речовини);
• «ніщо не дається задарма»(Про ціну розвитку);
• «природа знає краще»(Про головний критерій еволюційного відбору).

З закону загального зв'язку речей та явищ у природі(«все пов'язано з усім») випливає кілька наслідків:

• закон великих чисел - сукупна дія великої кількостівипадкових чинників призводить до результату, майже залежить від випадку, тобто. має системний характер. Так, міріади бактерій у ґрунті, воді, тілах живих організмів створюють особливе, відносно стабільне мікробіологічне середовище, необхідне для нормального існування всього живого. Або інший приклад: випадкова поведінка великої кількості молекул у певному обсязі газу зумовлює цілком певні значеннятемператури та тиску;
• принцип Ле Шательє (Брауна) -при зовнішньому впливі, що виводить систему зі стану стійкої рівноваги, ця рівновага зміщується у напрямку, при якому ефект зовнішнього впливу зменшується. Біологічно він реалізується у вигляді здатності екосистем до саморегуляції;
• закон оптимальності- Будь-яка система функціонує з найбільшою ефективністю в деяких характерних для неї просторово-часових межах;
• будь-які системні зміни в природі мають прямий або опосередкований вплив на людину - від стану індивіда до складних суспільних відносин.

З закону збереження маси речовини(«все має кудись подітися») витікають щонайменше два постулати, що мають практичне значення:

Баррі Коммонер писаний «...глобальна екосистема є єдине ціле, у якого нічого не може бути виграно або втрачено і яке не може бути об'єктом загального поліпшення; все, що було витягнуто з неї людською працею, має бути відшкодовано. Платежу за цим векселем не можна уникнути; він може лише відстрочений. Нинішня криза довкілля свідчить, що відстрочка дуже затягнулася».

Принцип «природа знає краще»визначає насамперед те, що може і що не повинно мати місця у біосфері. Все в природі — від найпростіших молекул до людини — пройшло найжорстокіший конкурс на право існування. В даний час планету населяє лише 1/1000 випробуваних еволюцією видів рослин та тварин. Головний критерійцього еволюційного відбору - вписаність у глобальний біотичний кругообіг, Заповненість всіх екологічних ніш. У будь-якої речовини, виробленого організмами, повинен існувати фермент, що його розкладає, і всі продукти розпаду повинні знову залучатися в кругообіг. З кожним біологічним виглядом, який порушував цей закон, еволюція рано чи пізно розлучалася. Людська індустріальна цивілізація грубо порушує замкнутість біотичного круговороту у глобальному масштабі, що може залишитися безкарним. В цій критичної ситуаціїповинен бути знайдений компроміс, що під силу тільки людині, яка має розум і прагнення цього.

Окрім формулювань Баррі Коммонера сучасні екологи вивели ще один закон екології. "на всіх не вистачить" (закон обмеженості ресурсів).Вочевидь, що маса поживних речовин всім форм життя Землі кінцева і обмежена. Її не вистачає на всіх представників органічного світу, що з'являються в біосфері, тому значне збільшення чисельності та маси будь-яких організмів у глобальному масштабі може відбуватися тільки за рахунок зменшення чисельності та маси інших. На суперечність між швидкістю розмноження та обмеженістю ресурсів харчування стосовно народонаселення планети вперше звернув увагу англійський економістТ.Р. Мальтус (1798), який саме цим намагався довести неминучість соціальної конкуренції. У свою чергу Ч. Дарвін запозичив у Мальтуса поняття «боротьба за існування» для пояснення механізму. природного відборуу живій природі.

Закон обмеженості ресурсів— джерело всіх форм конкуренції, суперництва та антагонізму у природі та, на жаль, у суспільстві. І скільки б не рахували класову боротьбу, расизм, міжнаціональні конфлікти чисто соціальними явищами— всі вони своїм корінням йдуть у внутрішньовидову конкуренцію, що набуває іноді набагато жорстокіші форми, ніж у тварин.

Істотна відмінність у цьому, що у природі внаслідок конкурентної боротьби виживають найкращі, а людському суспільстві — це зовсім негаразд.

Узагальнену класифікацію екологічних законів надав відомий радянський учений Н.Ф. Реймерс. Їм дано такі формулювання:

• закон соціально-екологічної рівноваги(необхідності збереження рівноваги між тиском на середовище та відновленням цього середовища, як природним, так і штучним);
• принцип культурного управління розвитком(Накладення обмежень на екстенсивний розвиток, облік екологічних обмежень);
• правило соціально-екологічного заміщення(необхідність виявлення шляхів заміщення людських потреб);
• закон соціально-екологічної незворотності(Неможливість повороту еволюційного руху назад, від складних формдо більш простих);
• закон ноосфериВернадського (неминучість трансформації біосфери під впливом думки та людської праці в ноосферу — геосферу, в якій розум стає домінуючим у розвитку системи «людина-природа»).

Дотримання цих законів можливе за умови усвідомлення людством своєї ролі у механізмі підтримки стабільності біосфери. Відомо, що в процесі еволюції зберігаються ті види, які здатні забезпечувати стійкість життя і навколишнього середовища. Тільки людина, використовуючи силу свого розуму, може скерувати подальший розвитокбіосфери шляхом збереження дикої природи, збереження цивілізації та людства, створення більш справедливої соціальної системи, переходу від філософії війни до філософії миру та партнерства, любові та поваги до майбутніх поколінь. Все це складові нового біосферного світогляду, який має стати загальнолюдським.

Закони та принципи екології

Закон мінімуму

У 1840 р. Ю. Лібіхвстановив, що врожай часто обмежується не тими поживними речовинами, які потрібні у великих кількостях, а тими, яких потрібно небагато, але мало й у грунті. Сформульований їм закон говорив: «Речовою, що у мінімумі, управляється врожай, визначається величина і стійкість останнього у часі». Згодом до поживних речовин додали низку інших факторів, наприклад, температуру. Дія цього закону обмежують два принципи. Перший закон Лібіха суворо діє лише за умов стаціонарного стану. Точніше формулювання: «при стаціонарному стані лімітує буде речовина, доступні кількості якої найбільш близькі до необхідного мінімуму». Другий принцип стосується взаємодії факторів. Висока концентрація або доступність певної речовини може змінювати споживання мінімальної поживної речовини. Наступний закон сформульований у самій екології та узагальнює закон мінімуму.

Закон толерантності

Цей закон формулюється в такий спосіб: відсутність чи неможливість розвитку екосистеми визначається як недоліком, а й надлишком будь-якого з чинників (тепло, світло, вода). Отже, організми характеризуються як екологічним мінімумом, і максимумом. Занадто багато хорошого теж погано. Діапазон між двома величинами становить межі толерантності, у яких організм нормально реагує вплив середовища. Закон толерантності запропонував В. Шелфордв 1913 р. можна сформулювати ряд доповнюючих його пропозицій.

• Організми можуть мати широкий діапазон толерантності щодо одного фактора та вузький щодо іншого.
• Організми з широким діапазоном толерантності до всіх факторів зазвичай найпоширеніші.
• Якщо умови по одному екологічному фактору не є оптимальними для виду, то може звузитися діапазон толерантності до інших екологічних факторів.
• У природі організми дуже часто опиняються в умовах, які не відповідають оптимальному значенню того чи іншого фактора, визначеному в лабораторії.
• Період розмноження зазвичай є критичним; у цей період багато факторів середовища часто виявляються лімітуючими.

Живі організми змінюють умови середовища, щоб послабити лімітуючий вплив фізичних факторів. Види з широким географічним поширенням утворюють адаптовані до місцевих умов популяції, які називаються екотипами.Їхні оптимуми та межі толерантності відповідають місцевим умовам.

Узагальнююча концепція лімітуючих факторів

Найбільш важливими факторами на суші є світло, температура та вода (опади), а в морі – світло, температура та солоність. Ці фізичні умови існування можутьбути лімітуючими та впливаючими сприятливо. Усі чинники середовища залежить один від одного і діють узгоджено. З інших факторів, що лімітують, можна відзначити атмосферні гази (вуглекислий газ, кисень) і біогенні солі. Формулюючи «закон мінімуму», Лібіх і мав на увазі лімітуючий вплив життєво важливих хімічних елементів, присутніх у середовищі у невеликих та непостійних кількостях. Вони називаються мікроелементами і до них належать залізо, мідь, цинк, бор, кремній, молібден, хлор, ванадій, кобальт, йод, натрій. Багато мікроелементів подібно до вітамінів діють як каталізатори. Фосфор, калій, кальцій, сірка, магній, які потрібні організмам у великих кількостях, називаються макроелементами. Важливим фактором, що лімітує, в сучасних умовах є забруднення природного середовища. Головний лімітуючий фактор, Ю. Одуму, -розміри та якість « ойкоса», або нашої « природної обителі»,а не просто кількість калорій, які можна вичавити із землі. Ландшафт не лише склад запасів, а й будинок, у якому ми живемо. «Слід прагнути до того, щоб зберегти, щонайменше, третину всієї суші як відкритий простір, що охороняється. Це означає, що третина всього нашого довкілля мають становити національні або місцеві парки, заповідники, зелені зони, ділянки дикої природи тощо». Територія, необхідна одній людині, за різними оцінками коливається від 1 до 5 га. Друга з цих цифр перевершує площу, яка припадає нині на одного жителя Землі.

Щільність населення наближається до людини на 2 га суші. Придатні для сільського господарства лише 24% суші. Хоча з площі лише 0,12 га можна отримати достатньо калорій, щоб підтримати існування однієї людини, для повноцінного харчування з великою кількістю м'яса, фруктів і зелені необхідно близько 0,6 га на людину. Крім того, потрібно ще близько 0,4 га для виробництва різного роду волокна (паперу, деревини, бавовни) та ще 0,2 га для доріг, аеропортів, будівель тощо. Звідси концепція «золотого мільярда», відповідно до якої оптимальною кількістю населення є 1 млрд осіб, і, отже, вже зараз близько 5 млрд «зайвих людей». Людина вперше за свою історію зіткнулася із граничними, а не локальними обмеженнями. Подолання лімітуючих факторів потребує величезних витрат речовини та енергії. Для подвоєння врожаю необхідно десятикратне збільшення кількості добрив, отрутохімікатів та потужності (тварини або машини). До лімітуючих чинників і чисельність популяції.

Закон конкурентного виключення

Цей закон формулюється так: два види, що займають одну екологічну нішу, не можуть співіснувати в одному місці необмежено довго.

Те, який вигляд перемагає залежить від зовнішніх умов. У подібних умовах перемогти може кожен. Важливою для перемоги обставиною є швидкість зростання популяції. Нездатність виду до біотичної конкуренції веде для його відтіснення та необхідності пристосування до більш важких умов та факторів.

Закон конкурентного винятку може й у людському суспільстві. Особливість його дії нині у тому, що цивілізації що неспроможні розійтися. Їм нема куди піти зі своєї території, тому що в біосфері немає вільного місця для розселення і немає надлишку ресурсів, що призводить до загострення боротьби з усіма наслідками, що звідси випливають. Можна говорити про екологічне суперництво між країнами і навіть екологічні війни або війни, зумовлені екологічними причинами. Свого часу Гітлер виправдовував агресивну політику нацистської Німеччини боротьбою за життєвий простір. Ресурси нафти, вугілля тощо. і тоді були важливими. Ще більшу вагу вони мають у ХХІ ст. До того ж додалася потреба територій для поховання радіоактивних та інших відходів. Війни — гарячі та холодні — набувають екологічного забарвлення. Багато подій у сучасній історії, наприклад розпад СРСР, сприймаються по-новому, якщо на них подивитися з екологічних позицій. Одна цивілізація може не тільки завоювати іншу, але використовувати її для корисливих з екологічного погляду цілей. Це буде екологічний колоніалізм. Так переплітаються політичні, соціальні та екологічні проблеми.

Основний закон екології

Одним з головних досягнень екології стало відкриття, що розвиваються не тільки організми та види, а й. Послідовність спільнот, які змінюють одна одну в даному районі, називається сукцесією.Сукцесія відбувається внаслідок зміни фізичного середовища під впливом співтовариства, тобто. контролюється ним.

Висока продуктивність дає низьку надійність — ще одне формулювання основного закону екології, з якого випливає таке правило: «Оптимальна ефективність завжди менша за максимальну». Різноманітність відповідно до основного закону екології безпосередньо пов'язана зі стійкістю. Однак поки невідомо, наскільки цей зв'язок є причинно-наслідковим.

Деякі інші важливі для екології закони та принципи.

Закон емерджентності: ціле завжди має особливі властивості, відсутні в його частині.

Закон необхідної різноманітності: система не може складатися з абсолютно ідентичних елементів, але може мати ієрархічну організацію та інтеграційні рівні.

Закон незворотності еволюції: організм (популяція, вид) неспроможна повернутися до колишнього стану, здійсненому серед його предков.

Закон ускладнення організації: історичний розвиток живих організмів призводить до ускладнення їхньої організації шляхом диференціації органів та функцій.

Біогенетичний закон(Е. Геккель): онтогенез організму є коротке повторення філогенезу цього виду, тобто. індивід у своєму розвитку повторює скорочено історичний розвиток свого роду.

Закон нерівномірності розвитку елементів системи: системи одного рівня ієрархії розвиваються не суворо синхронно, тоді як одні досягають вищої стадії розвитку, інші залишаються в менш розвиненому стані. Цей закон безпосередньо пов'язаний із законом необхідного розмаїття.

Закон збереження життя: життя може існувати лише у процесі руху через живе тіло потоку речовин, енергії, інформації.

Принцип збереження впорядкованості(Я. Пригожий): у відкритих системах ентропія не зростає, а зменшується доти, доки досягається мінімальна постійна величина, завжди більше нуля.

Принцип Ле Шательє-Брауна: при зовнішньому впливі, що виводить систему зі стану стійкої рівноваги, ця рівновага зміщується в тому напрямку, при якому ефект зовнішнього впливу послаблюється.

Принцип економії енергії(Л. Онсагер): при ймовірності розвитку процесу в деякій кількості напрямків, що допускаються початками термодинаміки, реалізується те, що забезпечує мінімум розсіювання енергії.

Закон максимізації енергії та інформації: найкращими шансами на самозбереження має система, що найбільше сприяє надходженню, виробленню та ефективному використанню енергії та інформації; максимальне надходження речовини не гарантує системі успіху конкурентної боротьби.

Закон розвитку системи за рахунок довкілля: будь-яка система може розвиватися тільки за рахунок використання матеріально-енергетичних та інформаційних можливостей навколишнього середовища; абсолютно ізольований саморозвиток неможливий.

Правило Шредінгера«про харчування» організму негативною ентропією: упорядкованість організму вище навколишнього середовища, і організм віддає цього середовища більше невпорядкованості, ніж отримує. Це правило співвідноситься із принципом збереження упорядкованості Пригожина.

Правило прискорення еволюції: із зростанням складності організації біосистем тривалість існування виду в середньому скорочується, а темпи еволюції зростають. Середня тривалість існування виду птахів – 2 млн років, виду ссавців – 800 тис. років. Число вимерлих видів птахів та ссавців у порівнянні з усім їх числом велике.

Закон відносної незалежності адаптаціїВисока адаптивність до одного з екологічних факторів не дає такого ж ступеня пристосування до інших умов життя (навпаки, вона може обмежувати ці можливості через фізіолого-морфологічні особливості організмів).

Принцип мінімального розміру популяцій: існує мінімальний розмір популяції, нижче за яку її чисельність не може опускатися.

Правило представництва роду одним видом: в однорідних умовах та на обмеженій території таксономічний рід, як правило, представлений лише одним видом. Очевидно, це з близькістю екологічних ніш видів одного роду.

Закон збіднення живої речовини в острівних його згущення(Г.Ф. Хільмі): «Індивідуальна система, що працює у середовищі з рівнем організації нижчим, ніж рівень самої системи, приречена: поступово втрачаючи структуру, система через деякий час розчиниться у навколишньому середовищі». З цього випливає важливий висновок для людської природоохоронної діяльності: штучне збереження екосистем малого розміру (на обмеженій території, наприклад, заповідника) веде до їхньої поступової деструкції і не забезпечує збереження видів та угруповань.

Закон піраміди енергій(Р. Ліндеман): з одного трофічного рівня екологічної піраміди переходить на інший, більш високий рівень у середньому близько 10% енергії, що надійшла на попередній рівень. Зворотний потік із більш високих на нижчі рівні набагато слабший — не більше 0,5-0,25%, і тому говорити про кругообіг енергії в біоценозі не доводиться.

Правило обов'язковості заповнення екологічних ніш: порожня екологічна ніша завжди і обов'язково буває природно заповнена («природа не терпить порожнечі»).

Принцип формування екосистеми: Тривале існування організмів можливе лише в рамках екологічних систем, де їх компоненти та елементи доповнюють один одного та взаємно пристосовані. З цих екологічних законів та принципів випливають деякі висновки, справедливі для системи «людина — природне середовище». Вони належать до типу закону обмеження різноманітності, тобто. накладають обмеження на діяльність людини із перетворення природи.

Закон бумерангу: все, що витягнуто з біосфери людською працею, має бути повернено їй

Закон незамінності біосфери: біосферу не можна замінити штучним середовищем, як, скажімо, не можна створити нові види життя Людина неспроможна побудувати вічний двигун, тоді як біосфера і є практично «вічний» двигун.

Закон крокреневої шкіри: глобальний вихідний природно-ресурсний потенціал у ході історичного розвитку безперервно виснажується. Це випливає з того, що жодних принципово нових ресурсів, які могли б з'явитися, нині немає. Для життя кожної людини на рік необхідно 200 т твердих речовин, які вона за допомогою 800 т води та в середньому 1000 Вт енергії перетворює на корисний для себе продукт. Все це людина бере з вже наявного в природі.

Принцип віддаленості події: нащадки що-небудь вигадають для запобігання можливим негативним наслідкам Питання, наскільки закони екології можна переносити на взаємини людини з довкіллям, залишається відкритим, оскільки людина відрізняється від інших видів. Наприклад, більшість видів швидкість зростання популяції зменшується зі збільшенням її щільності; у людини, навпаки, зростання населення цьому випадку прискорюється. Деякі регулюючі механізми природи відсутні в людини, і це може бути додатковим приводом для технологічного оптимізму в одних, а для екологічних песимістів свідчити про небезпеку такої катастрофи, яка неможлива для жодного іншого виду.

Закон Лібіха

Визначення 1

Правила мінімуму - це один із принципів, які визначають роль екологічного фактора у поширенні та кількості організмів.

Відносні дії деяких екологічних факторів тим сильніше, чим значною мірою в порівнянні з іншими відчувається його дефіцит. Сформульований Г.О. Лібіхом (1840) закон у використанні до сільськогосподарських культур - будь-яким живим організмам потрібні не просто органічні та мінеральні речовини, вологість, температура або будь-які інші фактори, а їх режим.

Реакції організмів залежить від кількостей чинників. Крім цього, живі організми за природних умов піддаються впливам різних екологічних факторів (як біотичних, так і абіотичних) одночасно. Рослина потребує значної кількості поживних речовин та вологи (калій, азот, фосфор) і в той же час порівняно "незначних" кількостях такого елемента, як молібден (бор).

Будь-які види тварин або рослин мають чітку вибірковість до складу їжі: кожній рослині потрібен певний мінеральний елемент. Будь-які види тварин по-своєму вимогливі до якості їжі. Для того щоб сприятливо існувати і нормально розвиватися, організми повинні володіти всім набором потрібних факторів в оптимальному режимі та достатній кількості.

Той факт, що обмеження доз (або відсутності) будь-яких з необхідних рослин речовин, що відносяться як до мікро, так і до макроелементів, веде до однакових результатів уповільнення зростання, відкрито та вивчено німецьким хіміком, основоположником агрохімії Юстасом фон Лібіхом. Сформульовані ним правила називаються законом мінімуму Лібіха: розміри врожаїв визначаються числом у ґрунтах тих з елементів живлення, потреби рослин у якому задоволено найнижче. Для цього Лібіх зображував дірку, виявляючи те, що нижня дірка встановлює величину рідини в ній.

Зауваження 1

Закон мінімуму вірний як для тварин, так і для рослин, охоплюючи і людину, якій у деяких умовах доводиться застосовувати вітаміни або мінеральну водудля відшкодування нестачі якогось елемента в організмі.

Уточнення та зміни, внесені до закону Лібіха

Надалі до закону Лібіха було внесено кілька уточнень. p align="justify"> Значна поправка і доповнення - закон селективних дій факторів на різні функції організму: будь-які екологічні фактори по-різному впливають на функції організмів, оптимум для одного процесу, наприклад дихання, не буде оптимумом для іншого, наприклад травлення, і навпаки. До цієї групи уточнень закону Лібіха відносять трохи несхоже інші правила фазових реакцій " шкода користь " : невелика концентрація токсиканту впливає на організми у спрямованості збільшення його функцій, тоді як більша концентрація пригнічує і навіть призводить до загибелі організму. Дані токсикологічні закономірності справедливі для великої кількості(Так, відоме лікувальне властивість невеликих концентрацій зміїної отрути), але не для всіх отруйних речовин.

Зауваження 2

Закон Лібіха – це правило мінімуму, є одним із принципів, який визначає роль екологічних факторів у розвитку та розповсюдженні організмів. Сформульовано Г.О. Лібіх (1840) для сільськогосподарських культур.

Відповідно до закону Лібіха «Речовою, яка перебуває в мінімумі, управляє врожай і встановлюється розмір і стабільність останнього в часі». важливих речовин, присутніх у ґрунті у невеликих та непостійних кількостях. надалі це узагальнення стало тлумачитися ширше з урахуванням інших чинників середовища (наприклад, температури, часу та інших.).