Окружающая среда и адаптация

Мы живем в эпоху экологического кризиса. Длительное нарушение равновесия в природе заставило человека осознать наконец то, что, будучи вполне очевидным, долго ускользало от его внимания: все живые организмы, населяющие нашу Землю, существуют не сами по себе, они зависят от окружающей среды и испытывают ее воздействие. Живые или неодушевленные силы природы, действующие вокруг них, - это не просто декорации, на фоне которых развертывается сам жизненный процесс. Это точно согласованный ансамбль факторов окружающей среды и приспособления (адаптации) к ним живых организмов (проявляющийся как в их облике, так и в их поведении); именно этот ансамбль, столь легко нарушаемый вмешательством человека, и обусловливает возможность сосуществования разнообразнейших форм организмов и самого различного образа их жизни. Только нынешнее «заболевание» многих мест обитания, изменение факторов окружающей среды, часто опасное для жизни организмов, и связанное с этим вымирание многих видов животных открыло нам глаза буквально в последнюю минуту на законы «здорового» состояния как нормы и основы существования жизни.

Экология, изучающая подобные взаимосвязи и соответствующие закономерности, представляет собой сравнительно молодую ветвь естествознания. Хотя некоторые из известных натуралистов XVIII века уже мыслили «экологически», но лишь Александр Гумбольдт положил начало (1806) изучению растений в их естественном окружении. Его работа «Мысли о физиономике растений» обнаруживает подлинное понимание взаимосвязей между местом произрастания и обликом растений. «Происхождение видов путем естественного отбора» Чарлза Дарвина (1859) ознаменовало победу этих новых взглядов также и в науке о животных. «Борьба за существование» есть прежде всего выражение экологического подхода к восприятию действительности.

Благоприятные или неблагоприятные природные факторы (климат, пища, враги, конкуренты) образуют среду, к которой должна приспособиться не только единичная особь в ее борьбе за жизнь, но и весь вид в целом, так как именно весь вид подвергается под воздействием среды естественному отбору. Приспособление организмов к изменившимся внешним условиям путем изменения внутривидовой информации (через соответствующие мутации) признается, таким образом, главным событием эволюции - изменения видов. Вместе с тем приспособленность вида к какой-либо постоянной среде является предпосылкой его длительного стабильного существования. Изменчивость и отбор – это, по выражению Конрада Лоренца, «два великих конструктора видообразования». С позиций экологии можно считать, что многообразие организмов, их изменчивость и их сохранение в природе, их становление и само их существование являются результатом воздействия окружающей среды и адаптации.

Однако ни один из этих двух терминов не облегчает нам понимания явлений, пока за этими словами скрываются непонятные взаимосвязи. Такое ограничение справедливо в любой науке, а в эволюционном учении оно особенно относится к понятиям «мутация», «отбор» и «случайность». Поэтому следует пояснить, что собственно означают сами понятия «окружающая среда», с одной стороны, и «адаптация» - с другой. А также попытаться представить, имеют ли эти термины ясный научный смысл или они служат лишь словесным выражением нашей беспомощности перед лицом не постигнутых нами явлений природы.

Понятие окружающая среда было введено в экологию биологом Я. Юкскюлем (1864-1944) для «внешнего мира, окружающего живые существа в той мере, в какой он воспринимается органами чувств и органами передвижения животных и побуждает их к определенному поведению».

«Каждый субъект, словно нити невидимой паутины, прядет свои отношения к тем или иным свойствам вещей, свивая эти нити в прочную сеть, которая и поддерживает его существование», - написал однажды Я. Юкскюль.

В качестве характернейших примеров подобного маленького и тесного мирка, охватывающего лишь частицу внешнего мира, он приводил окружающую среду лесного собачьего (иксодового) клеща, который впивается в кожу теплокровных животных и, высасывая их кровь, разбухает там до размеров горошины. Клещ воспринимает окружающий мир через три весьма узкие «дверцы» ощущений: во-первых, кожным покровом, различающим лишь светлое и темное, он чувствует свет (никаких образов у него при этом не возникает), во-вторых, он ощущает тепло и, в-третьих, воспринимает запах масляной кислоты. Таким образом, окружающая среда клеща складывается из трех компонентов: 1) свет - темнота, 2) тепло-холод и 3) наличие или отсутствие запаха масляной кислоты. Однако этих трех величин вполне достаточно для того, чтобы самка собачьего клеща смогла выполнить свою жизненную функцию: насытиться теплой кровью и затем, найдя на поверхности почвы подходящее место, отложить яички. Пробираясь к свету, клещ взбирается по ветвям и листьям деревьев на нужную высоту. Ощущение тепла и запаха пота (масляной кислоты) являются сигналом того, что теплокровное животное проходит непосредственно под местом, где он притаился. Клещ «пикирует» вниз и «приземляется» на шкуру животного-хозяина. Здесь ему остается только пробираться к теплу, навстречу усиливающемуся запаху масляной кислоты, пока наконец он не достигнет кожи животного и не присосется к ней намертво.

Рис.1 Цветочный луг, каким его видим мы (слева) и каким он представляется пчеле (справа): луг, как «среда обитания» пчелы, гораздо проще по форме и окраске цветовых пятен, чем «в действительности»

Аналогичным образом можно исследовать среду обитания каждого животного. На рисунке изображен цветущий луг, каким, надо полагать, он представляется медоносной пчеле: формы проще, краски не столь разнообразны, а очертания заднего плана грубее, чем их воспринимаем мы (как нам кажется, «в действительности»). С другой стороны, для органов чувств некоторых животных, ощущающих более тонко - особенно это касается обоняния и слуха, - в окружающем мире существуют подробности, скажем, такие, как определенные запахи или обертоны, которые мы, люди, воспринимать не способны.

Схема цикла взаимосвязанных жизненных явлений, предложенная Я. Юкскюлем: живые существа и среда их обитания, субъект и объект, воспринимаемый ими мир и мир их действия соподчинены друг другу и образуют вместе окружающую нас действительность. В процессе приспособления к окружающей среде организм, взаимодействуя с ней, отдает и воспринимает различные вещества и информацию. Иными словами, эта действительность предопределена ранее сформировавшимися пределами того мира, где сами организмы функционируют, пределами, которые в свою очередь оказывают влияние и на мир их восприятий.

Концепция «окружающей среды» Я. Юкскюля положила начало экспериментальным исследованиям взаимоотношений животных того или иного вида со средой их обитания. Вместе с тем он проводил различие между «миром ощущений» и «миром действий».

Но что же такое адаптация (приспособление), второе основополагающее понятие экологического анализа? В модели функционального круга мы видим «объект», то есть отдельно взятую особь или вид животных, включенный в цикл закономерных связей. Этот факт мы и называем адаптацией. То, как клещ способен воспринимать свет, тепло и запах пота, что позволяет ему осуществлять свой жизненный функциональный цикл, означает, что он приспособился к такой среде обитания, как лес, в качестве наружного паразита теплокровных животных. То, что, помимо этих трех свойств среды, он больше ничего не воспринимает, тоже является адаптацией к требованиям его жизни. Благодаря такому ограничению своего мира ощущений клещ исключает из мира своих действий любые отклонения и экономит всю энергию чувствительных клеток и нервной системы в целях сохранения вида.

Существует множество живых существ, в достаточной мере приспособленных к присущей им как виду окружающей среде, ибо сам факт их существования уже доказывает, что функциональный круг мира их ощущений и мира их действий, выполняя свою задачу, пока по крайней мере, препятствует вымиранию вида.

Функциональное единство адаптации организма и окружающей его среды связывает в одно целое внешний облик животных данного вида и образ их жизни. Некоторые экологи выражают то же самое другими словами, говоря о том, что каждый вид животных заселяет свою собственную «экологическую нишу», то есть что существует ровно столько экологических ниш, сколько различных видов животных. При этом выражение «ниша» следует понимать не как убежище, укрытие или место пребывания, а как синоним понятия «присущая ему окружающая среда». Такое выделение в функциональном круге вида двух явлений - окружающей среды и адаптации - весьма полезно в ходе научного исследования. Ведь окружающую среду можно постигать путем измерения характеристик внешнего мира и таким образом устанавливать сферу действия факторов, из которых каждый вид со свойственной ему адаптацией «вырезает» свою собственную среду обитания. Но саму эту адаптацию нужно изучать, исходя из животного, учитывая его анатомию, физиологию и поведение, для чего необходимо использовать как основание другие разделы биологической науки.

Для выявления и объяснения адаптации, выработанных теми или иными животными, населяющими различные местообитания, лучше всего исходить из факторов окружающей среды. Вопрос о присущей виду адаптации является самым подходящим ключом, открывающим дверь в экологию.

Эрнст Геккель, пропагандист учения Чарлза Дарвина, официально признанный основателем этой новой «науки о связях организма с окружающим внешним миром», в 1866 году дал определение экологии (от греческих слов oicos - дом и logos - наука), как «учения о балансе между организмом и средой», предметом которого являются связи живых существ как с неорганической, так и с органической природой. Это определение новой ветви науки о жизни так хорошо продумано, что и более чем столетие спустя оно все еще полностью сохраняет свое значение.

Однако при этом мы сразу же ощущаем, что выражение «баланс» имеет не только чисто биологический, но и более широкий смысл. Ведь энергетический баланс организмов включает также физические и химические факторы. Наконец, нельзя забывать о космических силах, и прежде всего о солнечной энергии. Поэтому экологи многих стран и в первую очередь немецкие ученые Август Пинеман и Карл Фридрихе, понимали эту науку в целом, как учение о «балансе природы».

Действительно, сегодня экологи знают, что лишь всеобъемлющее рассмотрение природных явлений и, кроме того, всех явлений, связанных с человеческой цивилизацией, может дать правильное представление об условиях существования живых существ в окружающей их среде.

Специалист по экологии моря для того, чтобы правильно рассчитать круговорот азота в морских водорослях и планктоне, имеющий важное значение в образовании белков, должен учесть, сколько окиси азота образуется при грозовых разрядах в атмосфере и попадает в море с дождями. Специалист по экологии суши, вычисляющий общее количество кислорода на Земле и тем самым определяющий степень обеспеченности человека и животных воздухом для дыхания, будет в одинаковой мере учитывать как процессы сгорания топлива в тепловых электростанциях, моторах автомобилей и реактивных самолетах, так и образование кислорода растениями. А экологу, занимающемуся континентальными водами, для того чтобы составить представление о количестве водорослей, образующихся в каком-либо водоеме, необходимо прежде всего знать, сколько солнечной энергии получает его поверхность.

Рис.3 Схема круговорота азота в природе

Процессы обмена веществ в организмах и атмосферные явления (в данном случае грозы) образуют отдельные звенья в круговороте химического элемента (азота), участвующего в строении растительного и животного белка и при его распаде вновь переходящего в неживую природу. Сложное взаимодействие большого числа факторов приводит к возникновению круговорота вещества. В результате взаимодействия круговоротов всех химических элементов формируется равновесие биоценозов экосистемы.

Экология, постигающая процессы круговорота веществ в их полном объеме, даже и при исследовании локальных местообитаний, всегда выходит за рамки естествознания. По существу, это особое мировоззрение того или иного исследователя, а именно убеждение в том, что, лишь рассматривая все факторы, действующие в пределах данного местообитания, можно познать его внутреннюю закономерность и что поэтому отдельные дисциплины, такие, как зоология, ботаника, химия и физика, метеорология и даже история цивилизации и техники, суть лишь вспомогательные средства для решения главной задачи - постижения истинной сущности данного фрагмента природы.

Глубокое понимание экологических явлений возможно лишь на основе количественных измерений значений факторов, действующих на отдельных этапах круговорота химических элементов. Так, углерод составляет основу всех органических соединений и всех процессов дыхания и ассимиляции, но вместе с тем на его состояние оказывают влияние и неорганические процессы (выветривание и вулканические извержения). На детальной схеме показан баланс распределения общего количества углерода Земли, как связанного, так и участвующего в круговороте (в расчете на 1 см² земной поверхности за один год).

Рис. 4 Схема баланса (круговорот) углерода в природе

При описании всего многообразия жизни животных в настоящее время всякий раз во главу угла ставится отдельный вид. При экологическом рассмотрении в противоположность этому каждый вид животных становится составной частью более широкого переплетения влияний и зависимостей, окружающих сред и адаптации к ним, которое в конечного счете охватывает всю биосферу. На рис.3 на примере круговорота азота продемонстрированы экологическая постановка вопроса и экологический ответ на него. Животное при этом рассматривается как отдельное звено цепи, в целом замыкающейся в круг. Вместе с тем здесь впервые возникает возможность ответить на вопрос - хотя и со всей осторожностью - о смысле или, скажем скромнее, о значении отдельного вида животных во всем мироздании. Лишь в рамках экологии можно достоверно судить о значении каждого частного звена для функционирования целого. Поэтому именно к ней обращен в наше время неотложный вопрос о допустимых границах «загрязнения» окружающей среды и масштабах ущерба, наносимого природе современной цивилизацией.

Конечно, точные ответы на подобные вопросы возможны тогда, когда интенсивные экологические исследования не только выясняют общие взаимосвязи, но и оказываются в состоянии привести точные данные о количествах отдельных веществ и точно измерить влияние отдельных факторов на единицу поверхности. Эти точные измерения необычайно сложны прежде всего в тех случаях, когда речь идет о выяснении взаимосвязей, охватывающих всю поверхность Земли. Они представляют собой конечную и высшую цель экологических исследований. На рис.4 представлены такого рода точные данные, относящиеся к круговороту углерода в природе, - на земной поверхности, в атмосфере и в верхних слоях земной коры.

Здесь отчетливо видно, что, хотя решающая роль в этом балансе принадлежит животным и растениям, но ощутимое воздействие на природный круговорот веществ оказывают также процессы, связанные с деятельностью человека (например, такие, как добыча каменного угля и нефти или производство цемента). Экологический подход служит предпосылкой того, что мы сможем не только понять эти взаимосвязи, но и повлиять таким образом, чтобы это способствовало сохранению природы.

Август Тинеман наглядно показал, как должны взаимодействовать различные отрасли науки и методы анализа, чтобы в целом выкристаллизовалось всеохватывающее экологическое понимание природы. Очерчивая в какой-то мере общий абрис экологии как науки, она показывает одновременно и взаимосвязь отдельных глав книги.

Рис.5 На диаграмме показано взаимодействие всех факторов, охватываемых понятием экология (по А. Тинеманну)

Нижний ярус схемы охватывает в ней единичные факторы как абиотические, то есть неживой природы (температура, влажность, свет), так и биотические (жертвы, особи одного вида, конкуренты) природы. Над нижним ярусом надстраивается верхний ярус, где изучается взаимодействие этих факторов. Но и здесь при обобщенном рассмотрении также сохраняется подразделение совокупных факторов на абиотические (климат, местообитание) и биотические (биоценозы). Все четыре раздела схемы должны изучаться далее во взаимосвязи действующих факторов и их результатов, ибо таким образом достигается «экологическая» ступень рассмотрения, на которой среда обитания и биоценозы осознаются и объясняются как части единого функционального цикла (экосистемы). Именно эту функцию выполняют главы книги, посвященные местообитаниям, областям распространения животных и собственно населяющему их животному миру.

Научно-популярный блог «Просто о науке» http://prostonauka.com по материалам книги Экологические очерки о природе и человеке. Москва: Прогресс, 1988.