Каковы же проблемы современной экологии и почему они волнуют весь мир? Одна из них выявилась в результате математизации экологии. В последние 15— 20 лет экологи стали широко применять статистические методы анализа и методы математического моделирования при исследовании популяций, других более сложных сообществ, экосистем. Появились и математические теории систем надорганизменного уровня, описывающие наиболее общие закономерности их функционирования. Безусловные успехи моделирования создали впечатление, что можно достаточно полно описать природный объект и найти способ управлять его поведением. Но сейчас стало ясно, что надежды на моделирование как на панацею, способную излечить или предупредить «экологические болезни», не вполне оправданны. В моделировании нередки ошибки, которые возникают по разным причинам. Сложные природные системы часто ведут себя непредсказуемо, их реакция на то или иное воздействие противоречит «здравому смыслу», существующим представлениям, основанным на наблюдениях. Вот несколько примеров непредсказуемого поведения. Кабан, массивное животное, неспособное преодолевать глубокий снег и находить под ним пищу, обычный обитатель малоснежных районов нашей страны, удивил всех зоологов. Вопреки своим экологическим характеристикам в 60-х годах он начал распространяться по нечерноземному центру, достиг лесных зон в верховьях Волги, на юге Карелии, хотя в природной среде не произошло принципиальных изменений. Численность кабана быстро росла, на него была разрешена охота. Даже сейчас мы точно не знаем, почему изменились нормы поведения кабана. Можно лишь догадываться, что от кабанов, которых время от времени завозили в образцовые охотничьи хозяйства из Белоруссии, с Кавказа, Дальнего Востока, образовался отличный от обычного тип животного на высоких ногах с малой шириной тела; кабан стал легко преодолевать довольно глубокий снег. Вероятно, несколько изменилась и его физиология, если судить по новому пищевому рациону: он стал кормиться в считавшихся непригодными для него еловых лесах. Произошли изменения и в поведении кабана. Удивил экологов и лось. До 40-х годов его численность была низкой, но после войны стала быстро расти, так как в военное время на него не охотились, а затем охота была строго ограничена; кроме того, были вырублены обширные лесные площади, которые заросли кустарниками, служившими лосю пищей. Охотоведы радовались, что лось так размножился, а лесоводы забеспокоились: он стал уничтожать посадки сосны. Пришлось увеличить число лицензий на отстрел животных, но сосну это не спасло, методы ее защиты оказались слишком сложными. В результате во многих районах от посадок сосны, ценной и быстрорастущей культуры, пришлось отказаться. К 70-м годам для лося создались неблагоприятные условия: сосновые и осиновые леса состарились и стали непригодными для питания, других же кормов — ивы, рябины, крушины — казалось явно недостаточно, чтобы поддерживалась высокая численность. Однако количество лосей резко не сократилось, так как животные изменили свой рацион: стали поедать пищу, которой раньше избегали, в частности еловые кору и побеги. Произошло и некоторое изменение структуры популяции; сами лоси стали немного мельче. Тот и другой примеры показывают, что мы еще не научились эффективно управлять популяциями, а создавая промысловую численность вида, приносим в жертву выгодные культурные леса. Примеров непредсказуемого поведения немало, неожиданно меняются экологические параметры не только у млекопитающих. Дальневосточный бычок ратан обитает в стоячих водоемах, и зная его экологию, никак нельзя было предположить, что он может приспособиться к жизни во всех прудах, водохранилищах, медленно текущих реках Европейской части нашей страны. Однако, случайно попав в такие водоемы, ратан прекрасно в них освоился. Непредсказуемо и широкое расселение тюльки из Азовского моря в водохранилищах Волги, где она составляет теперь большую долю в промысловых уловах. Столь же неожиданным оказалось массовое распространение в водохранилищах синезеленых водорослей. Такое непредвиденное поведение видов или групп видов и даже сообществ часто бывает небезобидным, как и наши воздействия. Так, орошение черноземов привело к неожиданному эффекту — накоплению илистой фракции на глубине 10—20 см и, как следствие,— к резкому увеличению плотности почвы. Такая почва малоплодородна, резко возрастают энергетические затраты на ее вспашку и, строго говоря, черноземы теряют свои ценные качества. Целую цепь неблагоприятных событий вызвало широкое применение минеральных удобрений. Их избыточное количество, не усваиваемое растениями, не закрепляется в почве, а выносится в водоемы. Это приводит к их евтрофикации, на обильном минеральном питании в них размножаются синезеленые водоросли и меняется структура всей водной экосистемы (добавим, что продукты жизнедеятельности этих водорослей токсичны для многих видов рыб). Вообще разрушение или резкое изменение экосистемы приводит к очень глубокой и непредсказуемой перестройке, вызывает гибель животных. Так, в евтрофицированных мелких водоемах, в которых накопилось много ила, при высокой температуре в анаэробных условиях развиваются микроорганизмы, продуцирующие сильные яды. Это приводит к массовой гибели водоплавающих птиц, которые добывают пищу на илистом дне. В разрушенных почвенных экосистемах существует риск развития различных патогенных микроорганизмов. С такими неожиданностями мы сталкиваемся постоянно. Типичные примеры — непредсказуемое приспособление насекомых-вредителей к инсектицидам и патогенных микроорганизмов к медицинским препаратам. Мы привели примеры событий, отдаленные и непредсказуемые последствия которых уже проявились и которые должны насторожить всякого, кто безапелляционно считает человека властелином природы, способным с легкостью управлять ею. Но вот еще один пример управления, которое могло бы привести к далеко идущим неблагоприятным последствиям на большой территории нашей страны. Дело касается проекта переброски стока северных рек, вызвавшего вполне оправданную оппозицию. Переброска — это экологически очень сложная проблема, непредсказуемость многих ее последствий очевидна, поэтому среди проектировщиков и экспертов шли горячие дискуссии. По мнению гидрологов, влияние на экосистемы гидротехнических сооружений, повышающих уровень воды, было бы заметно лишь на расстоянии 5—10 км. Повышение уровня на 10—20 см на больших расстояниях считалось совершенно несущественным. Так ли это? При избыточном атмосферном увлажнении и общем близком уровне грунтовых вод такое кажущееся небольшим повышение могло бы привести к резкому усилению процессов заболачивания плоского рельефа; как пошел бы этот процесс, зависит от многих конкретных условий, которые трудно учесть наперед. Почему математические модели не могут предсказать поведение экологических систем? Почему нельзя предугадать их реакцию на то или иное внешнее воздействие? В одних случаях непредвиденное поведение системы — это результат неполноты знаний: экологам известны далеко не все характеристики системы, необходимые для построения ее математической модели; чаще всего неизвестно, какой зависимостью — линейной или нелинейной — связаны экологические параметры системы. Математические модели оказываются ошибочными еще и потому, что пока нет возможности описать адекватным математическим языком такое свойство экосистем, как неравновесность. За счет этого свойства при сильном внешнем воздействии в системе происходят резкие качественные перестройки. Пример такого поведения — уже упомянутое уплотнение орошаемых черноземов. Приведенные недостатки можно со временем преодолеть. Для этого необходимо углублять и совершенствовать биологические и экологические знания; определить типы и характер связей между разными параметрами экосистем; повысить соответствие математического аппарата при описании сложных процессов (например, при моделировании неравновесных процессов на помощь могли бы прийти методы теории катастроф). Но есть еще одна причина, из-за которой экосистемы непредвиденно меняют свое состояние. Любой биологический объект — от организма до сложных сообществ и даже биосферы — это открытая, самоорганизующаяся система, в которой функционально различные части взаимодействуют между собой, передавая вещество и энергию. Внутренняя среда такой системы, определяющая функционирование ее частей, постоянно изменяется, конкретные организмы и их совокупности оказываются в постоянно меняющихся условиях. Можно полагать, что состояния экологической системы циклически преобразуются, но никогда в полной мере не повторяются (процесс таких преобразований можно определить как саморазвитие). Если наблюдать за каким-либо одним признаком (например, за численностью популяции), процесс саморазвития часто выглядит циклическим, обратимым. Но периодическая повторяемость одного признака не свидетельствует о той же периодичности всех других. Пока у нас нет достаточно длинных рядов наблюдений, которые хотя бы для одной популяции раскрывали бы изменения во времени численности, половой, возрастной, фенотипической и генотипической структур одновременно. Поэтому о процессах саморазвития мы можем строить лишь гипотезы, а пока фиксируем неожиданные явления вроде расселения кабана, высокой численности лося, устойчивости к инсектицидам насекомых-вредителей и к лекарственным препаратам патогенных микроорганизмов. Можно сказать, что пока поведение экологических систем в полной мере непредсказуемо в принципе. Циклические колебания в них происходят на фоне случайно или закономерно изменяющихся внешних условий, которые вносят дополнительные возмущения. Одни и те же изменения условий среды могут по-разному влиять на структурные части популяции или другого более крупного сообщества, провоцируя различный ход саморазвития. Хозяйственное использование экосистемы — это тоже один из типов внешнего воздействия, которое налагается на фон сложных внутренних и внешних природных факторов динамики и определяет многие особенности системы. Пока хозяйственное использование незначительно и не входит в ранг существенных факторов, им можно пренебречь, но при интенсивном использовании экосистемы этот фактор становится ведущим. Совместить в одной системе наблюдений исследования внешних и внутренних законов ее динамики, а тем более построить единую модель, учитывающую действие этих качественно различных сил, чрезвычайно трудно. Изучая экосистемы, одни исследователи склонны придавать большое значение саморазвитию, другие ищут причину непостоянства состояния системы в изменяющихся внешних условиях. Логически внешние и внутренние силы вполне объединимы, но в современных исследованиях рассматриваются пока по отдельности, нет даже достаточно общего методического подхода для их одновременного учета как в исследованиях, так и в математических моделях. А это затрудняет и без того сложную проблему, связанную с предсказанием поведения экосистем, делает крайне сложным управление ими. Несмотря на столь очевидную трудность моделирования, связанную с биологической сущностью объектов, которая порождает неопределенность реакции системы, неизбежную изменчивость свойств сообществ, экологическую систему можно все-таки охарактеризовать некоторыми средними оптимальными, допустимыми и предельными значениями ее собственных параметров. Например, популяцию можно описать такими параметрами, как коэффициент размножения, максимально возможная численность, соотношение полов, возрастное соотношение и некоторые другие. Естественно, что при таком подходе мы допускаем, что саморазвитие не приводит к существенным отклонениям от нормы. А если известны связи между этими параметрами и их изменения под воздействием внешних условий, можно построить и математическую модель ее функционирования, достаточную для решения практических задач: получения высокого урожая, понижения численности вредителя, сохранения редкого вида.