Книга: Современное состояние биосферы и экологическая политика

11.3. Реакции биоты на гелиогеофизическое воздействие

11.3. Реакции биоты на гелиогеофизическое воздействие

К настоящему времени специалистами проведен достаточно подробный анализ имеющихся материалов о действии различных факторов на колебание численности популяций животных, фитомассы трав и сельскохозяйственных культур.

Согласно опубликованным данным, среди экологов нет пока единого мнения о природе многолетних циклических колебаний биоресурсов, а также о той роли, которую играют гелиогеофизические факторы в формировании этого явления. И это понятно, ибо с начала исследования цикличности закономерно возник вопрос: генерируются ли волны жизни самими популяциями и особенностями взаимодействия их друг с другом, представляющим тем самым автоколебательные системы, или они, волны, являются следствием влияния импульсов, постоянно поступающих из внешней среды.

По существу, речь идет об эндогенности и экзогенности популяционных циклов.

Имеется мнение (Юзбашев и др., 1982, с. 56–64), что солнечная активность влияет, например, не на процесс прогрессивного повышения урожайности сельскохозяйственных культур и других видов биоресурсов, а только на ее колебания, т. е. на отклонения урожайности от главной тенденции. Этот же автор выдвинул ряд предпосылок влияния СА на растения. Например, воздействие СА на растения может быть прямым – за счет излучения на само растение, и косвенным – через влияние на атмосферную циркуляцию и микробиологические процессы в почве. В годы минимума на Солнце становится меньше активных очагов, но их воздействие на биосферу Земли повышается, благодаря смещению очагов к солнечному экватору, что обеспечивает наилучшие условия проникновения корпускулярных потоков в глубь атмосферы Земли.

Как считают А. Д. Данилов и С. И. Авдюшин, «прямых механизмов воздействия СА на здоровье людей не видно, а влияние погоды ощущает каждый» (1993, с. 18–21). Выявлена связь между изменением численности добываемых соболей с темной и светлой окраской за 200 лет и изменениями солнечной активности. Значит, если СА способствует созданию наиболее благоприятных условий для одних видов животных и неблагоприятных для других видов, и при этом происходит резкое увеличение их численности, то как следствие данного процесса должны наблюдаться и перестройки генофонда популяции. Основания для данного вывода имеются.

Так, например, А. В. Яблоков считает, что популяционные волны совершенно случайно, но резко меняют набор мутаций и их концентрацию в популяциях (1980, с. 14–15). В этом смысле популяционные волны (часть мутаций случайно исчезает из популяций, а некоторые могут повышать концентрацию) являются поставщиком эволюционного материала под действием относительно интенсивного отбора. В соответствии с этим утверждением можно предположить, что циклические колебания численности популяций животных и фитомассы трав и т. д. являются не артефактами наблюдений, а биологической закономерностью. Она важна для популяций тем, что они (популяции) имеют лучшие шансы для выработки особями приспособительных механизмов (и, возможно, закрепленных в будущем генотипом) к постоянно меняющимся условиям среды, а значит и способность сопротивляться давлению среды. На основе внутрипопуляционной разно-качественности начинаются процессы отбора, ведущие к перестройке наиболее генерализованных качеств популяции в соответствии с изменившимися средними условиями ее жизни.

По мнению И. А. Шилова (1985, с. 254–258), гомеостатические механизмы популяционного уровня лежат в основе того, что в относительно стабильных условиях популяция функционирует как устойчивая форма существования вида, а в условиях направленного изменения среды представляет собой исходную единицу эволюционного процесса. Имеются все основания считать, что доведение популяционных показателей до максимума для популяций является более выгодным и экономичным фактором, чем постоянное поддерживание их на высоком уровне. Отсюда следует, что за каждым подъемом численности должен следовать ее спад для восстановления и подготовки необходимых условий к новой вспышке популяции.

Можно предложить еще один внутрипопуляционный механизм цикличности биоресурсов, когда в популяции животных происходит периодическое накопление избыточного количества неиммунных особей к определенным видам микроорганизмов. При создании благоприятных условий (сочетание температуры воздуха и влажности и других параметров среды) активизируется очаг инфекции и особи, не имеющие иммунитета, в первую очередь элиминируют. Так как этот механизм выработан эволюционно, то количество погибших особей колеблется в определенных пределах – для котиков, например, от 3–9 до 25 % (Колесник, Тимофеева, 1982, с. 163–165).

Исследуя механизмы динамики мелких млекопитающих, О. А. Жигальский (1989, с. 35–36) пришел к выводу: чем больше совпадает период изменений условий существования с периодом внутрипопуляционных колебаний и чем больше выражена цикличность внешних условий, тем выше согласованность и упорядоченность популяционных процессов, что позволяет популяции с максимально возможной скоростью реагировать на изменение внешних условий. Внешние факторы, по мнению данного автора, определяют верхний предел оптимального для данных условий уровня плотности. Функция внутрипопуляционных механизмов – приведение численности и структуры популяций к уровню, адекватному условиям среды.

Известно, что в период наибольшего замедления вращения Земли в 1972 г. на большей части европейской территории СССР разразилась жесткая засуха. В центральных областях Поволжья в этот период по 50–80 дней не выпало ни капли дождя (Мирошниченко, 1981, с. 60–61).

Значит, отмеченные в 1972 г. аномальные погодные условия должны были сказаться на урожайности трав и на животных, питающихся растительным кормом, и других видах, связанных трофическими взаимоотношениями, самым негативным образом. Все это дает право признать за экологическими факторами одну из ведущих ролей в колебании численности популяций и в регуляции их обилия (Гуляева, 1982, с. 179–180).

Н. В. Гулинова (1982, с. 87–88) отмечает, что урожайность естественных сенокосов в значительной мере определяется метеорологическими условиями, а в динамике урожайности сена многолетних трав (Алтайский край и Новосибирская область) прослеживается двухлетняя цикличность, которая обусловлена двухлетней цикличностью погодных условий.

Аналогичные периоды в урожайности трав лугов Сахалина найдены и нами (Колесник, 1994, с. 214–217).

Причины колебания численности наземных популяций животных многообразны. Те виды, основу жизни которых составляет растительная пища, в значительной мере зависят от засух и других аномальных явлений природы, приводящих к периодическим подъемам и спадам урожайности кормовых угодий. Так, например, значительное сокращение численности водяной полевко было вызвано засухами, зарегистрированными в некоторых районах Сибири в 1962 г. (момент размножения грызунов – май месяц) (Пантелеев, 1968, с. 150–200). Засуха – это, пожалуй, самое крупномасштабное и, поэтому, самое убедительное проявление климатических изменений, происходящих на Земле. Именно засуха или крайне неблагоприятные годы во многом способствуют резкому снижению фитомассы растительности лугов, болот, пойм и т. д. Чаще всего засуха возникает в период доминирования меридиональной формы атмосферной циркуляции, и это понятно, ибо в это время сумма дней с вторжением воздуха из Арктики существенно превышает средние значения. Происходит понижение температуры и выпадает меньшее количество осадков, т. к. арктический воздух содержит меньше влаги (Лосев, 1985, с. 114–115).

Более чем 20-летнее слежение за симпатрическими популяциями 11 видов грызунов из Барбары (Новосибирская обл.) дало материал для заключения о том, что природные популяции грызунов испытывают колебания численности, близкие геофизическим циклам (атмосферная циркуляция, осадки и т. д.). Здесь же выявлены 2-, 3-, 7– и 11-летние колебания их численности (Ердаков, 1990, с. 214–215). Интересно, что, по мнению автора данной работы, эндогенность многолетней популяционной цикличности не имеет таких строгих доказательств, как в случае циркадных ритмов. Тем не менее, внутрипопуляционные механизмы динамики численности предполагаются большинством исследователей (Ердаков, 1990, с. 214–215).

Многочисленные исследования были проведены по изучению причин межгодовой изменчивости численности морских рыб и других видов гидробионтов. Как показал анализ литературных данных, а также результаты наших собственных вычислений, получить однозначный ответ на причину цикличности водных растений и животных крайне затруднительно. Несмотря на то что водная среда для рыб более стабильна, сложна чем, например, наземно-воздушная, многим популяциям присущи многолетние колебания численности. Причем периоды появления гребней и ложбин в вариационных рядах близки к наземным популяциям. Изменение направления оси океанических течений, типа Гольфстрим или Куросио, флуктуации в этой связи биопродуктивных зон для питания рыб, перераспределение скоплений во временно-пространственном аспектах, а значит, и их миграционных путей – все это не может не сказаться на воспроизводстве популяций гидробионтов. Совпадение многих периодов колебаний природных явлений, наземных и морских видов биоресурсов свидетельствует о наличии какого-то единого генератора колебаний. Многие исследователи склонны придавать солнечной активности ведущую роль в формировании циклических колебаний рыб.

Следует предположить, что земные явления мало влияют на колебание космических процессов, и последний фактор воздействует на весь комплекс земных процессов однонаправленно. Но степень этого воздействия на живые системы может быть неоднозначной. Известно, что годовые колебания численности резче выражены у форм с коротким жизненным циклом, чем у поздно созревающих рыб. Рыбы, у которых не обнаруживаются значительные колебания урожайности, характеризуются более стабильными условиями нагула и довольно постоянной величиной кормового ареала (Никольский, 1974, с. 208–307). К сказанному следует еще добавить, что периодические колебания численности и биомассы стад рыб, определяемые общеклиматическими причинами, часто могут сглаживаться и меняться под влиянием действия местных факторов. Поэтому совместное воздействие на воспроизводство популяций космических, природных и внутрипопуляционных факторов вызывает у последних ряд новых, эмерджентных, свойств их динамики, которые затруднительно интерпретировать, если к анализу материалов подойти с позиций монофакторного, а не многофакторного осмысления. Возможно, что этим феноменом обуславливается явная пестрота гипотез и оценок в объяснениях влияния факторов среды на формирование многолетних колебаний численности видовых популяций, приводимых авторами в своих работах (Шунтов и др., 1993, с. 350–351; и др.). В данном случае можно согласиться с Р. Риклефсом (1979, с. 245–246), что попытки расчленить циклы колебаний мелких млекопитающих (леммингов и других видов) на отдельные звенья путем полевых и экспериментальных наблюдений оказались безуспешными. Например, снижение численности леммингов в зимнее время определялось хищниками, а летом – другими причинами. Имеется утверждение (Чернявский, 1982, с. 325–326), что внешние факторы представляют важный элемент регуляции численности арктических грызунов.

Сложность выявления закономерности по проблеме цикличности обусловлена тем, что многие процессы, воздействующие на популяцию как систему, имеют нелинейный характер. Следовательно, для этого класса систем, т. е. популяций, неприменим принцип суперпозиции, суть которого сводится к следующему: результат одновременного воздействия нескольких факторов на популяции (их численность) неравнозначен сумме результатов, вызываемых теми же факторами, если они действуют по отдельности (Самарский, 1989, с. 9–28). Это очень сильное утверждение, ибо, если данный принцип применим в отношении популяций, сообществ и т. д., то становится понятной невозможность отыскания одного, локального, фактора, ответственного за формирование многолетних колебаний биоресурсов. Можно полностью согласиться с мнением Д. Ф. Оуэна, утверждающего, что «в конце концов, является ли климат важным и даже более важным, чем строго биологические факторы, вызывающие смертность в зависимости от плотности в формировании колебаний численности, – все это пока предположения. Еще, конечно, не все выяснено, и глупо быть догматиком, полностью принимая или отвергая любую из всех этих соперничающих теорий» (1984, с. 82–83).

Существует еще один вопрос в проблеме цикличности, который требует своего разрешения, – физическая интерпретация кривых вариационных рядов наблюдений. Это принципиальный вопрос, ибо, если считать, что искомые кривые есть не что иное, как «белый» или «красный» шумы, то теряет всякий смысл проведения исследований по проблеме цикличности. Для такого утверждения есть серьезные основания.

Имеется следующее мнение: «Как бы случайно ни бросать точки на плоскость, при их соединении плавной кривой всегда обнаружится некоторое, кажущееся подобие периодичности, которое при желании можно выдать за цикл. Широкий диапазон эмпирически обнаруженных циклонесущих частот показывает их приблизительно равномерное распределение по всем периодам, что свидетельствует о шумовом характере анализируемых процессов» (Поляк, 1989, с. 74–77).

Аналогичного мнения придерживается А. В. Бялко (1994, с. 45–48), который считает, что большие амплитуды долгопериодных флуктуаций природных процессов позволяют найти частичное подтверждение любой периодичности (в этом и состоит коварство красного шума). К счастью, практика подтверждает обратное, т. е. какие бы мы ни рассматривали природные явления (речной сток, атмосферная циркуляция, миграция оси океанических течений и т. д.), они, находясь в разных географических зонах Земли, имеют в своем проявлении такие же периоды колебаний показателей, как и биоресурсы. Это свидетельствует о решающем вкладе космических и геофизических планетарных факторов в формирование отмеченных периодов, т. е. 2,3,4 и более лет. Мощные засухи и, как следствие, спад урожайности кормовых угодий, проловы рыбопромысловых флотилий, резкое снижение численности пушных зверей – эти явления (периодически повторяющиеся) не могут быть объяснены за счет артефактов природы, т. е. белого или красного шумов. Ответ на эти вопросы надо искать на стыке углубленных физико-биологических исследований.

Л. И. Мирошниченко выяснено (1981, с. 120–127), что если, например, совпадают периоды ритмов с частотной структурой изменений во внешней среде, то это определенно указывает на наличие синхронизации. Доказательством наличия синхронизации являются высокие коэффициенты связи корреляции между сравниваемыми колеблющимися явлениями. Но при неполном совпадении (по близости) регистрируемых периодов могут возникнуть биения, которые чаще всего и обнаруживаются в рядах динамики биоресурсов. Так, например, на кривых волн жизни можно выявить одновременное присутствие двух периодов с изменяющимися амплитудами, постоянными смещениями фаз относительно фазы вынуждающей силы. Если учесть, что многие колебания формируются за счет захвата частоты (Владимирский, 1982, с. 166–174) или принудительной синхронизации, то уместен вопрос о применимости теории случайных процессов к анализу имеющихся по биоресурсам временных рядов. По мнению Л. И. Мирошниченко (1981, с. 166–174), гипотеза о принудительной синхронизации позволяет объяснить солнечной активностью географическую изменчивость колебания многих природных явлений. Эта гипотеза служит хорошим инструментом для анализа причин несопоставимости и неоднозначности (невоспроизводимости) некоторых статистических результатов по гелиобиологическим связям – факта, давшего повод для сомнений в реальности таких связей.

Можно предположить, что роль СА и других космических и планетарных факторов, формирующих многолетнюю цикличность природных явлений, в том числе и биоресурсов, не сводится к прямому их влиянию на эти процессы (воспроизводство численности популяций и т. д.). Упомянутые факторы модулируют более высокоэнергетические связи других явлений, которые уже прямо (температура воздуха и почвы, влажность и т. д.) влияют на воспроизводство растительных ресурсов, а далее, по линии трофических взаимоотношений. Все это сказывается и на состоянии численности популяций животных, которые развиваются по собственным законам, выйдя из стационарного состояния. Результатом внутри– и межвидовых взаимодействий флуктуирующего ансамбля будут порождаемые им волны, на амплитуду и частоту которых оказывают свое влияние другие факторы земного происхождения.

Мы так подробно остановились на анализе сложных циклических колебаний многих природных и биологических систем не случайно. Дело в том, что вся околоземная среда, включая и биосферу, пронизана ритмами той или иной величины. В сочетании с негативным влиянием человека на биосферу имеется дополнительный фактор, усиливающий глубину разрушительного воздействия человека на биосферу. Это надо учитывать при планировании тех или иных мероприятий, касающихся эксплуатации компонентов биосферы.

Как свидетельствуют результаты исследований, наличие у природных и биологических систем квазипериодических колебаний, их уровней должно учитываться при разработке мероприятий по оптимальному использованию биоресурсов. Игнорирование же искомого феномена может привести к тому, что при совпадении, например, планируемого увеличения изъятия ресурса и начала спада численности популяции ее состояние можно перевести к депрессивному (со всеми вытекающими для биоресурса последствиями).

Поэтому эффективная экологическая политика сотрудничества предпринимателей с другими заинтересованными лицами из стран АТР – это получение оптимальной добычи ресурса, с минимальными затратами сил и средств и, что самое важное, – это сохранение воспроизводительной способности популяции. В этом видится суть экологической политики с нашей стороны.