Глава 16. Поведение

Существование комплексной системы невозможно 
без стабилизирующих процессов. Стабилизация 
же достигается благодаря тому, что любая 
тенденция к изменению сталкивается с 
нарастающей активностью факторов, 
сопротивляющихся этому изменению.

У. Б. Кеннон

Хорионы непрерывно испытывают на себе влияние окружающей среды. Рассматривая их внутреннее состояние в связи с внешними воздействиями, можно различать в них две группы явлений - сохранения характеристик и колебания (с трендами). Это два аспекта в реакциях системы на любые сдвиги в процессе ее существования - изменчивость и устойчивость. При изучении объекта обычно прежде всего обращает на себя внимание его устойчивость, фиксируемая в начале всякого исследования, но позднее обнаруживается, что за устойчивостью кроется изменчивость, которая при дальнейшем анализе оказывается тесно связанной с устойчивостью, и т. д.

Лучшая естественная модель хориона, где отражены его свойства как системы,- пламя свечи, поддерживаемое непрерывно идущими цепными реакциями, трепещущее от любого дуновения, но упорно сохраняющее свою "жизнь".

При выяснении закономерностей изменчивости и устойчивости геосистем можно опираться на большой материал, накопленный в ходе фенологических и других длительных наблюдений за состоянием природы, на статистические данные и опыт отдельных наук, в частности медицины, биологии и экономики,, давно приступивших к разработке проблем внутреннего состояния сложных систем. География и история пока не имеют серьезных результатов в этой области, хотя знания о реакциях малых систем в последнее время значительно пополнились. Сведения же о крупных долгоживущих системах остаются скудными.

Направленные изменения. Эффекты влияния внешних сил на хорионы определяются спецификой их структуры и организации. Если действием затрагиваются тела оболочки, то возмущение локализуется в воспринимающих участках из-за обособленности ветвей системы, созданных отдельными цепочками причинно-следственных связей, и быстрой диссипации энергии импульса при прохождении его через внутреннюю среду. Иначе реагирует система на толчок извне, когда он адресован ядру. В этом случае возмущение иррадиирует по оболочке, охватывая ее целиком, хотя также гасится при передаче от одного тела к другому, так что по закону рассеяния до третьего слоя доходит в среднем только ¹/₁₆ доля исходной величины импульса, а до четвертого слоя - лишь ¹/₆₄.

В общем виде эффект одиночного импульса, направленного на систему, можно определить как деформацию, которая бывает упругой или пластической. Простейшим примером первой служит появление сейш на водоемах после прохождения фронта циклона. В ответ на кратковременное воздействие в водном теле возникают затухающие колебания, вызывающие течения, взмучивание донных отложений, перемещения рыб и т. д. С большими сейшами связано затопление и подтопление берегов водоема. После сейш остаются следы: слои наносов, лужи, погибшие кладки птиц и пр. И любые другие вторжения в систему запечатлеваются в ней в виде новообразованных тел, обычно сравнительно малых размеров. Эти следы имеют значительно большие масштабы при пластических деформациях ядра какой-нибудь системы, когда его часть претерпевает необратимые изменения. Примером такого события может служить ветровал в таежном лесу.

Следы одиночного импульса, обладая способностью влиять на окружение, прямо и косвенно трансформируют внутреннюю среду системы. Так, в приведенном выше случае ветровала трансформация лесной системы в значительной мере связана с массовым размножением насекомых на упавших и поврежденных деревьях. Следовательно, с достаточно сильным кратковременным возмущением среды в системе связаны эффекты действия и эффекты последействия, обусловленные сохранением следов.

Когда импульсы поступают в систему один за другим, возникают новые эффекты. Каждый импульс оставляет в системе свой след. При определенной периодичности внешнего воздействия возникают условия для их накопления. Положение этих тел в системе двойственное. С одной стороны, они как бы принадлежат внешнему фактору, являясь его продуктом, с другой- включаются в ядро и оболочку, образуя память системы. Чаще всего функцию носителей памяти в чисто природных геосистемах выполняют минеральные тела (всякого рода отложения), неживые органические тела и живые организмы, в которых приспособления к новой среде генетически закрепляются. Особая роль в этом отношении принадлежит почве.

Роль совокупности следов периодических импульсов заключается в том, что они, накапливаясь в оболочке, ограждают систему от внешней среды, отражают и ослабляют дальнейшие воздействия и вместе с тем изменяют систему в направлении большего соответствия окружающей обстановке. Такова функция делювия, плащом покрывающего склоны возвышенностей, береговых валов на днищах долин, лесной подстилки, степного войлока и прочих подобных новообразований.

Периодичность внешних воздействий и накопление вещественных следов составляют важные условия существования многих геосистем. Исключительное значение имеет периодичность питающих воздействий. Например, колебания количества осадков и прихода тепла обусловливают в северных широтах ежегодные разливы рек, в поймах которых благодаря влагозарядке и отложению наилка формируются аллювиальные почвы и складывается уникальный мир живых организмов. Непитающие воздействия только более или менее сильно деформируют систему.

Долговременная реакция системы на повторяющиеся импульсы зависит от их величины и ритма, а также от структуры и размеров объекта. Пользуясь медицинской терминологией, можно выделить три типа внутренних адаптивных изменений систем,, испытывающих периодические или непериодические влияния. Ответом на слабые возмущения служит реакция мобилизации или тренировки (первый тип), т. е. постепенного повышения уровня работоспособности системы. Второй тип - активация, переход, системы в новое состояние при воздействиях средней силы. Третий тип - реакция стресса, т. е. ответ системы на чрезмерно сильные воздействия. Мобилизацию и активацию можно назвать привыканием системы. Привыкание - механизм устойчивости. С точки зрения понимания закономерностей организации геосистем большой интерес представляет реакция стресса.

Обычно любая система обладает определенным запасом прочности и оказывает сопротивление внешним воздействиям. Степень такой резистентности зависит при прочих равных условиях от длительности влияния внешнего фактора. Вначале, когда система только вступает в контакт с этим фактором, она из-за отсутствия соответствующих следов имеет низкую сопротивляемость. Затем, по мере накопления следов, уровень резистентности повышается, система адаптируется. Однако в дальнейшем резервы ее истощаются и сопротивляемость резко падает. Этот ход реакции, впервые подробно изученный на живых организмах, был назван Г. Селье стрессом. В нуклеарных геосистемах стресс - довольно частое явление при изъятии природных возобновимых ресурсов, источником которых служит косное или живое вещество ядра. Например, при кошении лугов и рубках лесов хорошо известны аналогичные комплексы эффектов: на первой стадии происходит некоторое снижение продуктивности-растении и выпадение из состава сообщества особо чувствительных видов, затем быстрое наращивание фитомассы (которая превышает, часто очень значительно, исходный уровень), сопровождаемое ростом численности животных и общим подъемом организации системы, но при сохранении темпов эксплуатации быстро следует упадок, деградация сообщества и упрощение окружающей его среды.

Сходная картина наблюдается при хозяйственном использовании популяций промысловых рыб и охотничьих птиц и зверей. Стрессом сопровождается также такое распространенное воздействие на речные и озерные геосистемы, как сброс загрязненных стоков, вызывающий активизацию процессов самоочищения и увеличение разнообразия (а это самый чувствительный показатель состояния системы среди гидробионтов), сменяющихся довольно быстро крайним обеднением сообществ и потерей способности к самоочищению, т. е. утратой специфической резистентности.

Стресс - лишь одна из форм патологии геосистем, представляющая собой неспецифическую реакцию. Специфические реакции связаны с действием различных повреждающих факторов, например со стихийными явлениями, добычей полезных ископаемых и т. д. При этом наблюдаются структурные изменения, включающие два эффекта: упрощение системы и образование новых тел, служащих очагом патологических процессов. Так, нерациональное земледелие приводит к резкому уменьшению гумусного горизонта почвы, высыханию ручьев и рек, обеднению местной флоры и фауны (эффекты патологического упрощения) и вместе с тем влечет за собой возникновение промоин и оврагов, заиление водоемов, размножение массы вредителей и т. д. (эффекты патологического разрастания). Патологические изменения бывают обратимыми и необратимыми. При обратимых изменениях происходит постепенное "выздоровление" геосистемы, констатируемое по восстановлению утраченных частей ядра и оболочки, в особенности внешних слоев последней, и распаду или сглаживанию вещественных следов патогенеза. Необратимые изменения в системе заканчиваются ее уничтожением, что наблюдается, например, в результате заболачивания вырубок или осолонения водоемов. "Лечение" геосистем - одна из задач конструктивной географии, ее гигиеническая функция.

Периодические колебания. До сих пор речь шла о направленных изменениях во внутреннем состоянии геосистем как результатах повторяющихся воздействий. Однако с последними связаны и весьма существенные для геосистем периодические колебания. Лучше всего изучены суточные и сезонные колебания в природе. Периодичность импульсов необходима для нормального течения процессов в геосистемах, она способствует разделению во времени процессов образования и распада тел, накоплению вещественных следов, экономному использованию энергии, которая всегда служит лимитирующим фактором.

Большинство регулярных изменений в геосистемах - следствие вращения тел вокруг своей оси или вокруг другого тела. Наиболее длинный период колебаний - у планетарного хориона Земли. Видимо, он составляет около 215 млн лет, что совпадает с периодом галактического обращения Солнечной системы. Однако не исключено существование и более продолжительных периодов, измеряемых сотнями миллионов лет. По геологическим данным устанавливаются несколько циклов продолжительностью от 8 до 170 млн лет и множество более коротких. Их происхождение объясняется динамикой Солнечной системы и пространственно-временной ее симметрией.

Для малых и средних геосистем, в которых протекает жизнь человека, особое значение имеют короткопериодические (в масштабе жизни Земли) колебания - 22-летний период солнечной активности, периоды годичной и суточной освещенности, а также лунных приливов. Колебания напряженности электромагнитного и гравитационного полей Солнца и Луны наводят целую совокупность синхронных колебаний в косных и живых ядрах, которые распространяются по их оболочке с некоторым запозданием и обязательным, вытекающим из закона рассеяния "рас-|пластыванием" волны возмущения и уменьшением ее относи тельной величины. В запаздывании импульса при прохождении через систему важна роль массы принимающих его тел и возникающих вещественных следов. Эти сдвиги по фазе хорошо известны в лесных сообществах. Классический пример подобного эффекта - размножение грызунов в годы, следующие за большим урожаем шишек, и зимнее гнездование клестов.

Для многих геосистем важны колебания, обусловленные волнами в водоемах и в атмосфере, которые благодаря смене знака воздействия усиливают эффект переноса энергии и вызывают возмущение, распространяющееся на многие компоненты оболочки.

Реакции на изменения питания. При долговременном увеличении или уменьшении количества вещества и энергии, поступающего в ядро системы, в ней возникают серьезные перестройки. Избыточное питание, например избыточное поступление атмосферных осадков в речные бассейны, после периода ускоренного роста и активизации процессов в оболочке приводит к накоплению тел-следов, являющихся балластом для системы, и общему ослаблению ее активности в условиях замедленной отдачи использованной субстанции обратно в среду. Гипертрофированные речные системы можно наблюдать во всех областях, где осадки намного превышают испарение. Они обладают широкой и сильно заболоченной поймой, старицами, извилистыми руслами. Еще более резко сказывается избыточность питания в искусственных системах при орошении. Но особенно ярко она проявляется в системах, созданных живыми организмами. Отмеченные выше признаки в них сочетаются с сокращением периода развития и относительно быстрым старением. Как заметил еще И. В. Мичурин, "лесные растения живут вообще вчетверо дольше, чем культурные сорта, выращиваемые в садах, и, что всего интереснее, чем лучший применяется уход, тем короче становится их жизнь".

Недостаточное питание, если оно снижается до известного предела, способствует мобилизации внутренних резервов, препятствует образованию вещественных следов и в целом повышает активность системы при ограничении ее роста. Продолжительность существования биогенных систем, а также систем ли-тогенных с ограниченным запасом вещества в ядре при этом увеличивается. Омолаживающий эффект ограниченного питания давно используется в культуре японских горшечных деревьев "бонсаи", доживающих до 200-300 лет. Ограниченный рацион позволяет в эксперименте увеличить продолжительность жизни животных в 2 раза и более. Аналогичным образом действует гипоксия - уменьшение потребления кислорода.

Устойчивость. В чем причина того, что всякое тело сохраняет свою индивидуальность? Отчасти ответ на этот вопрос дает обобщенный принцип Ле Шателье - Брауна, согласно которому внешнее воздействие, выводящее систему из состояния термодинамического равновесия, порождает в системе процессы, стремящиеся ослабить эффект воздействия. Такая реакция вытекает из условия максимальности энтропии. Но дело не только в направлении течения всех реальных процессов в сторону увеличения энтропии. Вторая причина неспецифической резистентности тела заключается в диссипации энергии и вещества у его поверхности согласно закону рассеяния, когда какой-нибудь поток из внешней среды вступает с ним в контакт. Наконец, третья причина общей сопротивляемости тел состоит в их невосприимчивости, определяемой отсутствием сродства с возмущающим фактором. Эта причина обычно лежит в основе устойчивости при взаимодействии разнородных тел. История развития организмов дает свидетельства невосприимчивости (химически обусловленной) даже в мире живых тел, и данные палеонтологии убедительно свидетельствуют, что, например, восприимчивость организмов к инфекциям возникла на довольно поздних этапах эволюции.

Вышесказанное позволяет понять некоторые особенности реакции устойчивости у геосистем, если экстраполировать закономерности, свойственные телам, на их совокупности. Сам факт существования соединений относительно крупных тел с ансамблем однородных, но разнокачественных малых тел, т. е. явление хорионов, во многом объясняется как раз причинами неспецифической резистентности. Возникнув, каждое тело стремится охватить сферой своего влияния окружающее пространство, сохраняя при этом определенную независимость в отношении других тел.

При рассмотрении устойчивости геосистем обращает на себя внимание естественное различие эффектов как питающих, так и непитающих воздействий. Потоки, не обеспечивающие ядро системы веществом и энергией, сильнее рассеиваются у его поверхности и не обладают сродством, поэтому в отношении к ним система проявляет большую устойчивость. Наоборот, в отношении к питающим потокам системы менее устойчивы. Данное обстоятельство давно учитывалось в одной специфической области человеческой деятельности, предъявляющей особые требования к устойчивости систем,- в военном искусстве, где еще Александр Македонский, как известно, продемонстрировал важность заботы о сохранении тылов и коммуникаций. Здесь, кстати, был эмпирически найден и практически использован (наиболее последовательно Наполеоном) принцип преодоления устойчивости систем к посторонним воздействиям - сосредоточение сил на главном направлении и расчленение масс противника с последующим их уничтожением по частям. В мирной деятельности, в области природопользования, правила сохранения и преодоления устойчивости систем применяются далеко не повсеместно и, более того, они пока даже не были сформулированы.

Сопротивление геосистемы внешним воздействиям возрастает по мере адаптации. Суть этого процесса сводится к накоплению вещественных следов и перестройке внутренних связей в оболочке. Вещественные следы, т. е. новообразованные тела, выполняют двоякую функцию: во-первых, блокируют путь потоков из среды в систему или оказывают тормозящее действие на них и, во-вторых, служат дополнительными центрами активности. В случае питающих воздействий к указанным двум функциям присоединяется третья - сохранение нужной системы субстанции.

В большинстве геосистем с косным ядром на передний план в реакции устойчивости обычно выдвигается сопротивление как функция следов. Рассматривается ли с данной точки зрения геосистема реки, озера, морского залива, подвергающаяся воздействию периодического сброса сточных вод, геосистема формации лессовидного суглинка, красноцветов, какой-нибудь изверженной породы, почвы которой подвергаются вспашке, или любая другая геосистема, используемая в хозяйстве,- всегда обнаруживается совокупность вещественных следов, препятствующих распространению возмущения по всей системе. В наиболее простых ситуациях - это механическое сопротивление. Сложный эффект сопротивления связан с деятельностью организмов, могущих благодаря размножению менять объем занимаемого пространства и долго сохраняться в одном месте, играя роль элементов памяти системы. В общественно-природных геосистемах разнообразие вещественных следов, оказывающих сопротивление воздействию среды, резко возрастает; с повышением уровня организации системы все большее значение приобретает их активность. В геосистемах с живым ядром существует множество механизмов, позволяющих компенсировать потери биомассы при изъятии ее организмами следующего трофического уровня. Например, в степях и лесах у растений, служащих пищевым объектом для млекопитающих, обнаружены явления стимуляции роста побегов в местах, обкусанных животными. Более сложный механизм описан Р. И. Злотиным и другими авторами для дубрав, подвергающихся воздействию массового насекомого - листовертки. Однако роль сопротивления следов сохраняется¹. Сопротивление и активность следов составляют две стороны памяти геосистемы, без которой невозможна устойчивость. В общественно-природных системах функцию памяти принимают на себя объекты материальной и духовной культуры. Без памяти по сути нет целого, она аккумулирует индивидуальный опыт системы.

¹ (Электрическое сопротивление, точнее, импеданс в нейронах, возможно, является механизмом памяти головного мозга (Михальцев, 1980).)

Кроме следов привыкание системы к повторяющимся внешним воздействиям умеренной силы обеспечивается организационными перестройками, изменением путей внутреннего движения вещества и энергии и более эффективным использованием поступившей субстанции. Например, при дозированном удобрении прудов через некоторое время резко возрастает сложность сообщества, трофические цепи становятся более разветвленными и коэффициенты полезного действия солнечной радиации и химических элементов повышаются.

Привыкание - обратимый процесс. При увеличении силы воздействия или изменении его периодичности чувствительность системы восстанавливается и сохраняется некоторое время до выработки новой адаптации, если только не произойдет ее перенапряжение в результате перехода через некоторый (обычно нам неизвестный) порог.

Знание общих и частных закономерностей появления устойчивости у геосистем может быть внедрено в практику природопользования. Одна из основных проблем человеческой деятельности в природе заключается в повышении биологической продуктивности преобразованных ландшафтов. Для ее решения нужно увеличить устойчивость геосистем. Требуется целенаправленное формирование элементов памяти природы в виде участков естественных сообществ или сообществ, их имитирующих, создание искусственных элементов памяти, способных смягчать климатические и прочие колебания в окружающей среде. Для этого необходимо строительство большого числа емкостей и коммуникаций, относительная эффективность которых быстро снижается по мере увеличения их размеров, что следует из закона рассеяния. Данное обстоятельство следует учитывать при выборе оптимальных вариантов управления природой.