Основні закони екології і їх особливості

        Правило максимуму енергії підтримання зрілої системи

        Правило константності числа видів у біосфері

          Правило множинності екосистем

Серед законів природи зустрічаються звичні в науці закони детермі­ністського типу, котрі жорстко регулюють взаємини між компонентами екосистеми, але більшість є законами-тенденціями, котрі діють не у всіх випадках. В деякому сенсі вони нагадують юридичні закони, що не перешкоджають розвиткові суспільства, якщо зрідка порушуються деякою кількістю людей, але заважають нормальному розвиткові, якщо порушення стають масовими. Є і закони-афоризми, котрі можна віднести до типів законів як обмежень різноманітності.

Основні екологічні закони

Закон збереження речовини (маси) та Закон збереження енергії:

На основі першого з них ми повинні зробити принциповий висновок: будь-які фізичні, хімічні або інші зміни не призводять до зникнення речовини або отримання його з нічого. Будь-яка перетворювальна діяльність людини не в змозі ні створити, ні знищити жодного атома речовини, а лише дозволяє перевести з одного стану в інший, але ніщо не зникає безслідно. З точки зору природокористування необхідно засвоїти, що будь-який процес буде створювати відходи, які також є частиною перетворювального природного речовини.
         Другий з цих законів встановлює, що будь-які перетворення енергії не дозволяють отримати її більше, ніж було витрачено спочатку, тобто будь-який матеріальний об'єкт на Землі за будь-яких фізичних, хімічних чи інших змінах може лише перетворити енергію з одного виду в інший, але не домагатися її виникнення або зникнення.

Закон збереження енергії формулюється також як перший закон (початок, принцип) термодинаміки:

Необхідно абсолютно чітко уявляти, що закон збереження енергії має загальної характер і поширюється на всі процеси на Землі, включаючи громадські та інші відносини людства. Так, він безумовно діє в економіці; закон вартості, наприклад, є його прямим наслідком. Енергетичне вираз будь-якої кількості завжди достовірніше і справедливіше, ніж інше, тим більше відносне - грошове, наприклад.

Другий закон (початок, принцип) термодинаміки:

Який визначає, що при будь-якому енергетичному процесі, поточному мимовільно, відбувається перехід енергії з концентрованої форми в розсіяну, тобто завжди є втрати енергії (у вигляді недоступного для використання тепла), а стовідсотковий перехід з одного виду енергії в інший неможливий. Характерно дію цього закону при переході з однієї форми в іншу в живих системах: сонячна енергія хімічна при фотосинтезі і далі в їжі консументів перетворення в рух м'язів, роботу мозку і інші прояви життя - супроводжується на кожному етапі і в кінцевому підсумку деградацією високоякісної енергії, лише невелика частина якої переходить з одного рівня на інший, основна частина перетворюється на низькоякісне тепло і розсіюється в навколишньому середовищі. У відкритих системах ентропія, тобто міра невпорядкованості системи, в певному сенсі - властивість енергії переходити не в корисну роботу, а на тепло і розсіюватися в просторі, може, як збільшуватися, так і знижуватися, до певної мінімальної величини, але завжди більшою нуля. Для екологічних біолого-еволюційних, а також суспільних процесів важливе значення має принцип (закон) діссінаціі (розсіювання) Л. Онсагером, або принцип економії енергії (економії ентропії), який визначає, що при можливості розвитку процесу в деякій множині напрямку (кожне з яких допускається началами термодинаміки) буде реалізовано те, яке забезпечує мінімум діссінаціі енергії (тобто мінімум зростання ентропії).

Закон біогенної міграції атомів (або закон Вернадського):

Міграція хімічних елементів на земній поверхні і в біосфері в цілому здійснюється під переважаючим впливом живої речовини, організмів. Так відбувалося і в геологічному минулому, мільйони років тому, так відбувається і в сучасних умовах. Жива речовина або бере участь в біохімічних процесах безпосередньо, або створює відповідну, збагачену киснем, вуглекислим газом, воднем, азотом, фосфором та іншими речовинами, середовище. Цей закон має важливе практичне і теоретичне значення. Розуміння всіх хімічних процесів, які відбуваються в геосферах, неможливо без врахування дії біогенних факторів, зокрема - еволюційних. У наш час люди впливають на стан біосфери, змінюючи її фізичний і хімічний склад, умови збалансованої віками біогенної міграції атомів. У майбутньому це спричинить дуже негативних змін, які набувають здатність саморозвіваться і стають глобальними, некерованими (опустелювання, деградація грунту, вимирання тисяч видів організмів). З допомогою цього закону можна свідомо і активно запобігати розвитку таких негативних явищ, керувати біогеохімічними процесами, використовуючи «м'які» екологічні методи.

Закон внутрішньої динамічної рівноваги:

Н. Ф. Реймерс описав цей закон; встановлює, що енергія, речовина, інформація і динамічне якість окремих природних систем, включаючи екосистеми та біосферу в цілому та їх ієрархії, взаємопов'язані і будь-яка зміна одного з цих показників викликає супутні функціонально структурні кількісні та якісні зміни всіх інших показників, зберігаючи загальну суму якостей систем.
    Речовина, енергія, інформація і динамічні якості окремих природних систем та їх ієрархії дуже тісно пов'язані між собою, так що будь-яка зміна одного з показників неминуче призводить до функціонально-структурних змін інших, але при цьому зберігаються загальні якості системи - енергетичні, інформаційні та динамічні. Наслідки дії цього закону виявляються в тому, що після будь-яких змін елементів природного середовища (речовинного складу, енергії, інформації, швидкості природних процесів і т.п.) обов'язково розвиваються ланцюгові реакції, які намагаються нейтралізувати ці зміни. Слід зазначити, що незначна зміна одного показника може послужити причиною сильних відхилень в інших і в усій екосистемі.
Зміни у великих екосистемах можуть мати необоротний характер, а будь-які локальні перетворення природи викликають у біосфері планети (тобто в глобальному масштабі) і в її найбільших підрозділах реакції відповіді, які зумовлюють відносну незмінність еколого-економічного потенціалу. Штучне зростання еколого-економічного потенціалу обмежене термодинамічної стійкістю природних систем.

Закон внутрішньої динамічної рівноваги:

Один з найголовніших у природокористуванні. Він допомагає зрозуміти, що у разі незначних втручань у природне середовище її екосистеми здатні саморегулюватися і відновлюватися, але якщо ці втручання перевищують певні межі (які людині слід добре знати), і вже не можуть «згаснути» в ланцюзі ієрархії екосистем (охоплюють цілі річкові системи, ландшафти), вони призводять до значних порушень енерго-і біобаланс на значних територіях і в усій біосфері.
 

Закон генетичної різноманітності:

Все живе генетичне різне й має тенденцію до збільшення біологічної різнорідності.
Закон має важливе значення в природокористуванні, особливо в сфері біотехнології (генна інженерія, біопрепарати), якщо не завжди можна передбачити результат нововведень під час вирощування нових мікрокультура через виникаючі мутації або поширення дії нових біопрепаратів не на ті види організмів, на які вони розраховувалися.
Закон історичної незворотності: розвиток біосфери і людства як цілого не може відбуватися від більш пізній фаз до початкових, загальний процес розвитку односпрямований. Повторюються лише окремі елементи соціальних відносин (рабство) або типи хазяйнування.

Закон константності (сформульований В. Вернадським):

Кількість живої речовини біосфери (за певну геологічний час) є величина постійна. Цей закон тісно пов'язаний із законом внутрішньої динамічної рівноваги. За законом константності будь-яка зміна кількості живої речовини в одному з регіонів біосфери неминуче призводить до такої ж за обсягом зміни речовини в іншому регіоні, тільки з протилежним знаком.
Наслідком цього закону є правило обов'язкового заповнення екологічних ніш.
Закон кореляції (сформульований Ж. Кюв): в організмі як цілісній системі всі його частини відповідають одна одній як за будовою, так і за функціями. Зміна однієї частини неминуче викличе зміни в інших.

Закон максимізації енергії (сформульований Г. і Ю. Одума і доповнений М. Реймерсом):

У конкуренції з іншими системами зберігається та з них, яка найбільше сприяє надходженню енергії та інформації і використовує максимальну їх кількість найефективніше. Для цього така система, більшою частиною, утворює накопичувачі (сховища) високоякісної енергії, частина якої витрачає на забезпечення надходження нової енергії, забезпечує нормальний кругообіг речовин і створює механізми регулювання, підтримки, стійкості системи, її здатності пристосовуватися до змін, налагоджує обмін з іншими системами . Максимізація - це підвищення шансів на виживання.

Закон максимуму біогенної енергії (закон В. І. Вернадського -Е.С. Бауера):

Будь-яка біологічна і «біонедосконала» система з біотою, яка знаходиться в стані «стійкої нерівноваги» (динамічно рухливої рівноваги з навколишнім середовищем), збільшує, розвиваючись, свій вплив на середовище.
У процесі еволюції видів, твердить Вернадський, виживають ті, які збільшують біогенну геохімічну енергію. На думку Бауера, живі системи ніколи не перебувають у стані рівноваги і виконують за рахунок своєї вільної енергії корисну роботу проти рівноваги, якого вимагають закони фізики і хімії за існуючих зовнішніх умов.
Разом з іншими фундаментальними положеннями закон максимуму біогенної енергії є основою розробки стратегії природокористування.

Закон мінімуму (сформульований Ю. Лібіх):

Стійкість організму визначається найслабшою ланкою в ланцюзі її екологічних потреб. Якщо кількість і якість екологічних факторів близькі до необхідного організму мінімуму, він виживає, якщо менші за цей мінімум, організм гине, екосистема руйнується.
Тому під час прогнозування екологічних умов або виконання експертиз дуже важливо визначити слабку ланку в житті організмів.

Закон обмеженості природніх ресурсів:

Усі природні ресурси в умовах Землі вичерпні. Планета є природно обмеженим тілом, і на ній не можуть існувати нескінченні складові частини.

Закон односпрямованість потоку енергії:

Енергія, яку одержує екосистема і яка засвоюється продуцентами, розсіюється або разом з їх біомасою необоротно передається консументам першого, другого, третього і інших порядків, а потім редуцентам, що супроводжується втратою певної кількості енергії на кожному трофічному рівні в результаті процесів, які супроводжують дихання. Оскільки в зворотний потік (від редуцентів до продуцентів) потрапляє дуже мало початкової енергії (не більше 0,25%), термін «кругообіг енергії» є досить умовним

Закон оптимальності:

Ніяка система не може звужуватися або розширюватися до нескінченності. Ніякої цілісний організм не може перевищити певні критичні розміри, які забезпечують підтримку його енергетики. Ці розміри залежать від умов живлення та факторів існування.
У природокористуванні закон оптимальності допомагає знайти оптимальні з точки зору продуктивності розміри для ділянок полів, вирощуваних тварин, рослин. Ігнорування закону - створення величезних площ монокультур, вирівнювання ландшафту масовими забудовами тощо - Призвело до неприродний одноманітності на великих територіях і викликало порушення в функціонуванні екосистем, екологічні кризи.

Закон піраміди енергій (сформульований Р. Ліндеманн):

З одного трофічного рівня екологічної піраміди на іншого переходить в середньому не більше 10% енергії.
За цим законом можна виконувати розрахунки земельних площ, лісових угідь з метою забезпечення населення продовольством та іншими ресурсами.

Закон рівнозначності умов життя:

Всі природні умови середовища, необхідні для життя, відіграють рівнозначні ролі. З нього випливає інший закон-сукупної дії екологічних факторів. Цей закон часто ігнорується, хоча має велике значення.
 

Закон розвитку довкілля:

Будь-яка природна система розвивається лише за рахунок використання матеріально-енергетичних та інформаційних можливостей навколишнього середовища. Абсолютно ізольований саморозвиток неможливо - це висновок із законів термодинаміки.
 

Дуже важливими є наслідки закону.
1. Абсолютно безвідходне виробництво неможливе.
2. Будь-яка більш високоорганізована біотична система у своєму розвитку є потенційною загрозою для менш організованих систем. Тому в біосфері Землі неможливо повторне зародження життя - воно буде знищено вже існуючими організмами
3. Біосфера Землі, як система, розвивається за рахунок внутрішніх і космічних ресурсів.
Закон зменшення енерговіддачі в природокористуванні: у процесі одержання з природних систем корисної продукції з плином часу (в історичному аспекті) на її виготовлення в середньому витрачається все більше енергії (зростають енергетичні витрати на одну людину). Так, нині витрати енергії на одну людину за добу майже в 60 разів більші, ніж у часи наших далеких предків (кілька тисяч років тому). Збільшення енергетичних витрат не може відбуватися нескінченно, його можна і слід розраховувати, плануючи свої стосунки з природою з метою їх гармонізації.

Закон сукупної дії природних факторів (закон Мітчерліха-Тінемана-Баулі):

Обсяг врожаю залежить не від окремого, нехай навіть лімітуючого фактора, а від усієї сукупності екологічних факторів одночасно. Частку кожного фактора в сукупній дії нині можна підрахувати. Закон має силу за певних умов - якщо вплив монотонне і максимально виявляється кожний фактор за незмінності інших у тій сукупності, що розглядається.

Закон толерантності (закон Шелфорда):

Лімітуючим фактором процвітання організму може бути як мінімум, так і максимум екологічного впливу, діапазон між якими визначає ступінь витривалості (толерантності) організму до даного фактору. Відповідно до закону будь-який надлишок речовини чи енергії в екосистемі стає його ворогом, забруднювачем.

Закон грунтоістощенія (зменшення родючості):

Поступове зниження природної родючості грунтів відбувається через тривале їх використання та порушення природних процесів грунтоутворення, а також внаслідок тривалого вирощування монокультур (в результаті накопичення токсичних речовин, які виділяються рослинами, залишків пестицидів і мінеральних добрив).
 

Закон фізико-хімічного єдності живої речовини (сформульований В. Вернадським):

Все живе речовина Землі має єдину фізико-хімічну природу. З цього випливає, що шкідливе для однієї частини живої речовини шкодить і іншій його частині, тільки, звичайно, різною мірою. Різниця полягає лише в стійкості видів до дії того чи іншого агента. Крім того, через наявність у будь-якій популяції більш-менш стійких до фізико-хімічного впливу видів швидкість відбору за витривалістю популяцій до шкідливого агента прямо пропорційна швидкості розмноження організмів і чергування поколінь. Через це тривале вживання пестицидів екологічно неприпустиме, так як шкідники, які розмножуються значно швидше, швидше пристосовуються і виживають, а обсяги хімічних забруднень доводиться дедалі збільшувати.

Закон екологічної кореляції:

В екосистемі, як і в будь-якій іншій системі, всі види живої речовини й абіотичні екологічні компоненти функціонально відповідають один одному. Випадіння однієї частини системи (виду) неминуче призводить до вимикання пов'язаних з нею інших частин екосистеми й функціональних змін.
 

Науковій громадськості широко відомі також чотири закони екології американського вченого Б. Коммонера:
 

1) все пов'язане з усім;
2) все має кудись діватися;
3) природа «знає» краще;
4) ніщо не минається марно (за все треба платити).
Як зазначає М. Реймерс, перший закон Б. Коммонера близький за змістом до закону внутрішньої динамічної рівноваги, другий - до цього ж закону і закону розвитку природної системи за рахунок навколишнього середовища, третій - застерігає нас від самовпевненості, четвертий - знову торкається проблеми, які узагальнюють закон внутрішньої динамічної рівноваги, закони константності й розвитку природної системи. По четвертому законом Б. Коммонера ми повинні повертати природі те, що беремо у неї, інакше катастрофа з часом неминуча.
 

Слід згадати також важливі екологічні закони, сформульовані у працях відомого американського еколога Д. Чіраса в 1991-1993 рр.. Він підкреслює, що Природа існує вічно (з точки зору людини) і опирається деградації завдяки дії чотирьох екологічних законів:

1) реціклічності або повторного багаторазового використання найважливіших речовин;

2) постійного відновлення ресурсів;

3) консервативного споживання (якщо живі істоти споживають лише те ( і в такій кількості), що їм потрібно, не більше і не менше);

4) популяційного контролю (природа не допускає «вибухового» росту популяцій, регулюючи кількісний склад того чи іншого виду шляхом створення відповідних умов для його існування та розмноження).

Найважливішим завданням екології Д. Чірас вважає вивчення структури та функцій екосистем, їх врівноваженості, або неврівноваженості, тобто причин стабільності і розбалансування екосистем.
Таким чином, коло завдань сучасної екології дуже широкий і охоплює практично всі питання, які зачіпають взаємини людського суспільства і природного середовища, а також проблеми гармонізації цих відносин. З суто біологічної науки, якою була екологія всього якихось 30 - 40 років тому, сьогодні вона стала багатогранною комплексною наукою, головною метою якої є розробка наукових основ порятунку людства й середовища його існування - біосфери планети, раціонального природокористування та охорони природи. Нині екологічним вихованням охоплюються всі верстви населення на планеті. Пізнання законів гармонізації, краси і раціональність природи допоможе людству знайти вірні шляхи виходу з екологічної кризи. Змінюючи і надалі природні умови (суспільство не може жити інакше), люди будуть змушені робити це обдумано, виважено, передбачаючи далеку перспективу і спираючись на знання основних екологічних законів.

Висновок

Питання про те, наскільки закони екології можна переносити на взаємовідносини людини з навколишнім середовищем, залишається відкритим, оскільки людина відрізняється від всіх інших видів. Наприклад, у більшості видів швидкість зростання популяції зменшується зі зростанням її щільності; у людини, навпаки, зростання чисельності населення в цьому випадку прискорюється. Таким чином, деякі регулюючі механізми природи відсутні у людини. І це може бути додатковим приводом для технологічного оптимізму для одних, а для екологічних песимістів - свідченням небезпеки такої катастрофи, котра неможлива для жодного іншого виду.