Законы Б.Коммонера – внутреннего динамического равновесия; «все» или «ничего» (Х.Боулича); закон генетического разнообразия

Рис. 1. Схема проявления закона внутреннего динамического
равновесия в биоценозах

Реальные биогеоценозы, находящиеся в состоянии длительного динамического равновесия согласно закона внутреннего динамического равновесия, представляют собой сложные саморегулирующиеся системы. При этом области биологической устойчивости для экологических систем в целом и отдельных организмов под влиянием антропического фактора характеризуются довольно узкими пределами изменений. Химические компоненты через атмосферу, почву или воду попадают в трофические цепи, что приводит к существенным изменениям условий существования и функционирования биогеоценозов и, в конечном счете, отрицательно сказывается на жизнедеятельности самого человека. Превышение порогов надежности экологических систем под действием экстремальных факторов антропического происхождения может быть причиной экологических катастроф.

Изменяя экосистемы, человек нарушает региональное равно­весие в природе, экосистемы становятся неустойчивыми, не способ­ными к самоподдержанию и саморегуляции и перестают обеспечи­вать человеку нормальный газообмен, очистку вод, круговороты питательных веществ. Человек очень медленно учится быть «преду­смотрительным хищником». На него уже не действуют биологичес­кие механизмы регуляции, но он еще не научился сознательно регу­лировать свою численность и количество потребляемых им ресурсов. Этот зазор между ослаблением биологических механизмов и недоста­точным ростом сознания и является, по мнению многих экологов, ос­новной причиной экологического кризиса.

3

2. Закон «все или ничего»

Закон «все или ничего» был впервые продемонстрирован в 1871 г. американским физиологом Генри П. Боудичем при исследовании сердечной мышцы. В 1902 г. английский физиолог Ф. Готч обнаружил эффект «все или ничего» при передаче сигналов по нервам, однако этот эффект был надежно установлен только в исследовании Эдгара Дугласа Эдриана. В 1932 г. за эту работу Эдриану была присуждена Нобелевская премия по физиол. В действительности, работе Эдриана предшествовала целая серия исследований, проведенных К. Лукасом. Именно Лукас дал название этому закону в своей статье «Сокращение волокна скелетной мышцы амфибии по принципу "все или ничего"».

В свете закона «все или ничего»: подпороговые раздражения не вызывают нервного импульса («ничего»), а пороговые стимулы или суммирование подпороговых воздействий создает условия для формирования максимального ответа («все»), или в общесистемном смысле — слабые воздействия могут не вызвать у природной системы ответных реакций до тех пор, пока, накопившись, они не приведут к развитию бурного динамического процесса. При этом между воздействиями нет линейной пропорциональности, и могут интегрироваться различные факторы (температура и влажность, радиация и нервный стресс и т. п.). Закон «все или ничего» был сформулирован американским физиологом Г. (X.) П. Боуличем в 1871 г., однако до сих пор очень слабо изучен в его действии вне нервной системы. Между тем на нем базируется концепция пороговых значений системных воздействий. Наличие порогов несомненно, но и континуум нарастания воздействия очевиден. Это общее свойство систем — их прерывистость и непрерывность. Споры сторонников концепции пороговости и беспороговости бессмыслены. Все зависит от начальных условий и индивидуальных реакций. Успокоительная статистика для пораженного болезнью мало утешительна, общественно более приемлема концепция разумного риска.

В экологии этот закон звучит следующим образом:

Слабые воздействия могут не вызывать у природной системы ответных реакций до тех пор, пока, накопившись, не приведут к развитию бурного динамического процесса. Закон полезен при экологическом прогнозировании[5].

Согласно этому закону, величина, форма и скорость распространения потенциала действия не зависят от силы раздражителя, который его инициирует. Другими словами, не имеет значения, будет ли вызывающий потенциал действия раздражитель очень слабым или очень сильным. Пока раздражитель достаточно силен для того, чтобы инициировать потенциал действия, раздражение передается от одного объекта до другого без затухания (т. е. без ущерба для величины, формы или скорости импульса). Таким образом, воздействие на биосистему до определенного предела может не иметь ответной реакции, и лишь достигая порогового значения, приводит в действие защитные силы системы. В свою очередь система стремится к восстановлению первоначального состояния. Абсолютно изолированные системы вне связи с окружающей средой длительное время существовать не могут. Вещество и энергия для функционирования и развития систем могут поступать лишь из среды, окружающей эту систему. И только за счет этой среды может существовать и прогрессировать любая система.

Этот вполне очевидный факт отражает закон развития природной системы за счет окружающей ее среды: любая природная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды. Абсолютно изолированное саморазвитие невозможно.

Закон «все или ничего» установлен для возбудимых макросистем, где имеет место незатухающее возбуждение. В дальнейшем продемонстрировано, что по этому принципу работают многие информационные системы, что обеспечивает им ряд преимуществ. Распространение этого закона на деятельность функциональных блоков означает, что блок может находиться либо в состоянии покоя, либо осуществлять работу, которая является единственно возможной в данных условиях. Конкретное применение закона может быть весьма важным. Например, если активный транспорт подчиняется этому закону, то энергия переноса одной молекулы (например, глюкозы) будет одинаковой как по градиенту концентраций, так и против этого градиента. Различия, получаемые при решении термодинамических уравнений, отражают интенсивность и направление пассивной утечки. Ясно, что хотя отдельные функциональные блоки (например, насосы) полностью подчиняются закону «все или ничего», большая популяция таких блоков создает возможность для плавного градуального регулирования процесса.

Следовательно, воздействие человека на природу требует мероприятий по нейтрализации этих воздействий, поскольку они могут оказаться разрушающими для остальной природы и, следовательно, угрожают тем самым самому человеку. В связи с этим охрана природы – одно из обязательных составляющих социально-экономического развития высокоразвитого общества. Так воздействие человека может не иметь немедленного следствия, однако, позднее накапливаясь, может привести к катастрофическим последствиям.

Данный закон имеет особое значение для долгосрочного прогнозирования. Оно должно учитываться при рассмотрении всех процессов, происходящих на Земле. Однако необходимо осознать, что космическое воздействие преломляется земными процессами, и выявление здесь прямых связей носит вероятностный характер. К примеру, в годы высокой солнечной активности не обязательно будет проявляться весь спектр явлений, наблюдавшихся в предыдущий цикл активности. Они лишь могут возникнуть и статистически вероятны[6].

Энергия, вещество и информация, поступающие в систему извне и выступающие как факторы ее жизни, действуют не в «чистом» виде, а избирательно усваиваются и видоизменяются этой системой. Если они проходят предварительно через надсистемы рассматриваемой системы, то эти процессы идут многократно и до нее доходят в трансформированном всеми надсистемами виде, т. е. действует принцип преломления действующего фактора в иерархии систем.

Поиск прямых связей между очень далекими по иерархическому уровню системами (к примеру, между активностью Солнца и массовыми размножениями организмов), если эти связи не настолько сильны, что проходят «транзитом» через промежуточный ряд иерархии систем, как правило, бывает очень затруднителен.

Принцип преломления действующего фактора в иерархии систем применим и к самой системе как преобразующем факторе члена иерархии: фактор, действующий на систему, преломляется через всю иерархию ее надсистем и через функциональные особенности самой системы. В связи с этим обычно воздействие надсистем не равно по силе и не совпадает по времени с интенсивностью и моментом их возникновения.

Исторически сложившееся единство организмов и среды их обитания определяет возможность существования жизни и ее отдельных проявлений, но активным началом взаимодействия служит живое как созидающая сила. Связано это с активностью всех биосистем. А поскольку отношения организма и его среды системны, действует принцип экологического соответствия: форма существования организма всегда соответствует условиям его жизни.

3

3. Закон генетического разнообразия

Закон генетического разнообразия - все живое генетиче­ски различно и имеет тенденцию к увеличению биологической разнородно­сти. Двух генетически абсолютных особей (кроме однояйцовых близнецов, немутирующих клонов, вегетативных линий и немногих др. исключений), а тем более видов живого в природе быть не может.

Закон генетического разнообразия кажется примитивным и общеизвестным. Его действие всегда учитывается при сохранении чистых культур микроорганизмов (мутагенезу противопоставляют отбор по специфическим признакам) и сортов (например, картофеля путем вегетативного размножения под контролем тщательного отбора). Однако в природопользовании данный закон нередко игнорируют. Это особенно опасно в области био­технологии (в генной инженерии, производстве биопрепаратов на основе непатоген­ных микроорганизмов и т. п.), поскольку результат не всегда предсказуем. Высока и опасность внезапного возникновения новых болезнетворных форм при применении лекарственных средств из-за мутаций в популяциях болезнетворных организмов. Не исключен и переход микроорганизмов, применяемых для борьбы с нежелательными формами, на полезные людям виды, процесс распространения среди них эпизоотии. Закон генетического разнообразия как бы действует против закона физико-химического единства живого веще­ства, и совместный учет этих основополагающих правил позволяет избежать многих ошибочных решений в природопользовании.

Итак, все живое генетически различно и имеет тенденцию к увеличению биологической разнородности. Что же движет разнообразием? Ученые развили представления о прогрессивном развитии живого мира. Они подчеркивали, что носителями этого прогресса могут быть как высоко-, так и низкоорганизованные формы. В общей форме успех организмов в борьбе за существование может достигаться различными путями. Одним из них, как полагали некоторые биологи, может служить приспособление организмов к меняющимся условиям внешней среды путем увеличения численности вида, расширения площади его расселения. В усложняющейся биосфере Земли на определенных этапах живое могло сохраниться только за счет увеличения форм растительного и животного царства.

Мейен считал, что в эволюции феномен разнообразия играет столь же важную самостоятельную роль, как прогресс и приспособление. Более того, стимул к развитию разнообразия генетически наследуется. Если какой-либо разнообразный ряд организмов порождает мутанта, то и этот мутант, выжив, обеспечивает аналогичный ряд полиморфных организмов с такими свойствами, которыми обладали особи роди­тельского отряда, но не он сам[7].

При анализе явлений разнообразия как одной из движущих сил прогрессивного развития необходимо учитывать биологический уровень этого разнообразия: видовой, групповой, организменный, клеточный, молекулярный. Уже давно стало очевидным, что критерием биологического прогресса вида служит не количественное представительство его особей, которое неизбежно должно иметь какую-то конечную величину, а разнообразие групп внутри вида или видов в более крупных сообществах. Появлению этих групп способствовало приобретение каких-либо полезных приспособительных признаков или реакций.

Среди двух сообществ, наиболее успешно завоевавших сушу,— насекомых и млекопитающих — также наметилось выраженное разнообразие видов. В одном случае оно было движимо такими биологически признаками, как хитиновый покров, трахейное дыхание, бы­строта завершения эмбрионального развития. В случае млекопитающих приспособительными стимулами явились теплокровность, живорождение, центральная нервная система, иммунитет, сознание.

Гетерогенность — это общебиологическое явление, расширяющее норму реакций, увеличивающее приспособительные, адаптивные способности организма, обеспечивающее, в конечном счете, разнообразие особей. Сужение границ реактивности на любом уровне (мо­лекулярном, клеточном, организменном) ведет к уменьшению для популяции шансов уцелеть при любых экологических катастрофах или опустошительных инфекциях.

Итак, с одной стороны, жесткие границы индивидуальности, с другой — неограниченный простор для ваяния различий. Разнообразие — это необходимость, а не «приправа» к жизни. Разнообразие имеется здесь в виду определен­ным образом интегрированное. Каждый более высокий уровень в при­роде, являясь более сложным и дифференцированным, для того, чтобы быть жизнеспособным, должен заключать свое разнообразие в целое, обладающее эмерджентными свойствами.

Природа, этот искуснейший изобретатель, сконструировала в процессе эволюции неисчислимое разнообразие жизненных форм. Поэтому клонирование угрожает главному двигателю эволюции — генетическому разнообразию. Генотип любого человека состоит из комбинации генов его родителей, и именно эта высокая комбинаторика позволяет виду сопротивляться окружающей среде — выживать. Другими словами, у клонов не будет никакого иммунитета. Ведь клонирование предполагает, что клоны одной оплодотворенной клетки будут пересажены в сотни маток, где им надлежит развиваться. Поэтому все родившиеся клоны будут генетически одинаковыми. А мы живем среди вирусов, бактерий, патогенных организмов, которые постоянно мутируют. Люди приспосабливаются к ним за счет генетического разнообразия. А клон неизбежно будет поражен первым же самым простейшим вирусом, например, обычным вирусом гриппа.

Таким образом, одной из движущих сил прогрессивного развития является уровень разнообразия.

Возьмем хотя бы размеры живых существ. Самое крупное млекопитающее — синий кит. Самка его достигает 33 метров в длину и весит 190 тонн. Новорожденный ее детеныш длиною 7—8 метров весит 3 тонны. Такое животное, как кит, не могло бы существовать на суше — оно неизбежно было бы раздавлено собственным весом. Вода в 800 раз плотнее воздуха, поэтому она поддерживает гигантскую массу животного и уменьшает статические нагрузки на скелет.