Тайны природы. Синергетика: учение о взаимодействии

Глава 8 КАК ВЫЖИТЬ, НЕ БУДУЧИ СИЛЬНЕЙШИМ? — СОЗДАЙ СОБСТВЕННУЮ ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ НИШУ

При ближайшем рассмотрении тезис «выживает сильнейший» скрывает в себе целый ряд очень глубоких проблем. Принимая этот тезис на веру, остается только удивляться огромному разнообразию существующих на свете видов. Должно быть, все они оказались в свое время лучшими? По-видимому, придется заняться вопросом выживания более основательно.

В действительности, решив провернуть трюк с «выживанием сильнейших», Природа прибегла к множеству уловок. Во-первых, конкурентная борьба возможна лишь в том случае, когда различные конкурирующие между собой виды существуют в одном и том же окружении. Естественно, не может идти и речи ни о какой конкурентной борьбе между сухопутными животными, проживающими на разных материках и разделенными океаном. Так, скажем, в Австралии развился совершенно иной животный мир, чем на других континентах, — например, уникальные сумчатые, одним из представителей которых является кенгуру.

Но даже и в том случае, когда разные виды живут вблизи друг от друга, им часто удается создать свое собственное жизненное пространство. Вспомним, к примеру, о птицах, которые благодаря разнообразию форм клюва освоили различные источники питания (рис. 8.1).

^{Рис. 8.1. Различие форм птичьих клювов (на примере разных пород вьюрков), свидетельствующее о высокой степени специализации. Рядом схематически показано, чем питается каждый вид. На островах, отрезанных от внешнего мира, возникли породы вьюрков с особенными формами клюва. Породы — но не виды: эти птицы по-прежнему остаются вьюрками! Первым их описал еще Дарвин. 1. Насекомоядные выорки; 2-6. Выорки, предпочитающие питаться насекомыми, но способные добывать и растительную пищу; 7-12. Выорки, питающиеся преимущественно растительной пищей; 13. Растительноядные выорки. (По Конраду Лоренцу.)}

Обустроив, таким образом, для себя собственную «экологическую нишу», птицы избежали жесткой конкурентной борьбы между видами. В этом отношении, естественно, можно сказать, что каждый из этих видов стал лучшим — в своей нише, ведь каждый обладает своими специфическими способностями, единственными и неповторимыми. Экологическая ниша — это в некотором смысле резервация, заповедник, безопасная зона, где определенный вид может беспрепятственно жить и развиваться. Наш пример, касающийся источников питания, показывает, что экологические ниши — это ни в коем случае не просто пространственное разделение, хотя оно, безусловно, ограничивает экологическую нишу вернее всего.

Впрочем, сосуществование, обеспечиваемое узкой специализацией, никоим образом не ограничивается рамками живой природы. Нечто подобное имеет место и в лазере: различные световые волны могут появляться одновременно и не вступать в борьбу между собой, если они получают свою энергию от разных атомов. Вопросы конкурентной борьбы играют решающую роль и в экономической жизни; к этому мы еще вернемся несколько позднее.

Интересно, что в природе существуют примеры выживания не только благодаря специализации, но также и благодаря генерализации, которая заключается в том, что некий вид принимает по возможности наиболее обширную «программу питания»; именно так поступили, к примеру, дикие кабаны.

Но наиболее интересный способ выжить в жесткой конкурентной борьбе — это, пожалуй, симбиоз. Симбиотические отношения подразумевают взаимную поддержку друг друга представителями совершенно различных видов; а порой симбиоз становится не просто подспорьем для выживания, но основой самого существования входящих в симбиотические отношения видов. Природа представляет нам целую палитру ярких примеров симбиоза: здесь и пчелы, питающиеся цветочным нектаром и при этом одновременно заботящиеся об опылении — а значит и о размножении — своих кормильцев; и птицы, залетающие в разинутые пасти крокодилов в поисках пропитания для себя — но и в то же время помогая крокодилу содержать зубы в чистоте и порядке; и муравьи, использующие тлей в качестве «молочных коров». Дерево кальвария находится под угрозой вымирания (во всяком случае так считалось до последнего времени) из-за того, что только дронты — вид птиц, исчезнувший в нынешнем столетии, а до тех пор живший на этих деревьях — в силу особенностей своего пищеварения были способны распространять их семена таким образом, чтобы они могли затем взойти. (Согласно последним сообщениям, биологи обнаружили, что заботу о выживании этого дерева могут взять на себя индюки, сумевшие «помочь» взойти семенам кальварии, которым было более ста лет.)

Однако рассмотрение частных случаев не должно помешать нам увидеть всю картину в целом. Не следует думать, что только два или три вида находятся в состоянии конкурентной борьбы или живут в симбиозе; как раз наоборот: все процессы, протекающие в природе, бесконечно тесно связаны между собой. Природа в этом смысле представляет собой синергетическую систему высочайшей сложности.

Фундаментальное значение имеет также вопрос о том, возможно ли привести отдельные взаимосвязанные природные процессы в равновесие. Много и охотно говорится об экологическом равновесии, все сильнее нарушаемом вмешательством человека в дела Природы. Современные исследования, однако, убеждают в том, что и без человеческого вмешательства экологическое или биологическое равновесие не настолько совершенно, как нам представлялось долгие годы. Причем думали мы, в общем-то, о статистическом равновесии, при котором размер популяции какого-то определенного вида, скажем, птиц, с течением времени практически не изменяется.

Однако в природе все обстоит иначе. Всем нам хорошо известно, что угрожающие равновесию изменения могут быть вызваны самыми заурядными природными катаклизмами: скажем, слишком суровой зимой, или жарким, засушливым летом, или заморозками, из-за которых погибают, например, цветы, и пчелы остаются без пищи. Некоторые ученые объясняют вымирание динозавров падением на Землю гигантского метеорита, т. е. событием, которое трагическим образом сказалось на климатических — а значит, и на жизненных — условиях этих животных. Еще один пример того, как может нарушиться равновесие в природе, — это беспрестанно повторяющиеся опустошительные нашествия грызунов или насекомых, оказывающие влияние и на другие сферы жизни. Рассмотрим это подробнее.

Даже после природных катастроф, подобных описанным, мы воспринимаем восстановление прежнего равновесия как нечто само собой разумеющееся. В дальнейшем мы увидим, что и тезис о свободном развитии рыночной экономики основан на аналогичном представлении.

Однако действительно ли Природа настолько стабильна? Существует множество примеров, доказывающих, что в природе отнюдь не царит статическое равновесие. К началу XX века рыбаками, промышлявшими на Адриатике, было установлено, что их уловы колеблются в определенном ритме. Очень скоро они обнаружили, что этот ритм основан на ритмических же колебаниях популяции рыб (рис. 8.2).

^{Рис. 8.2. Периодические колебания численности рыб}

В двадцатые годы объяснение этого явления удалось независимо друг от друга дать двум выдающимся математикам — А. Лотке и В. Вольтерра (1860-1940). Оказалось, что оно возникает вследствие существования двух видов рыб, один из которых — хищники, а второй — их добыча. Механизм же колебаний популяций таков: сначала хищников относительно немного, и в этот период их «жертвы» могут беспрепятственно размножаться, давая тем самым своим природным врагам возможность лучше питаться, а значит, и быстрее размножаться, пока наконец численность хищников не увеличивается настолько, что их питание катастрофически сокращает размер второй популяции (рыб-жертв), что, в свою очередь, отрицательно сказывается на питании хищников и сокращает уже их численность. Затем все начинается сначала.

В рамках математической модели возможен следующий вариант развития событий: однажды хищники случайно съедят всех представителей второй популяции и тем самым обрекут себя на вымирание. Природа препятствует такому исходу, подготавливая заранее укромные убежища, где рыба-жертва может скрыться от преследований распоясавшихся хищников.

Похожий цикл был обнаружен и в Канаде: хищниками здесь выступают рыси, а жертвами — зайцы (рис. 8.3). Поскольку рождаемость и смертность подвержены и разным другим влияниям, описанные нами модельные представления уязвимы для критики, и все же они убедительно показывают, что статическое равновесие природе глубоко чуждо.

^{Рис. 8.3. Периодические колебания численности популяций зайцев и рысей}

Еще более выразительные примеры подобного поведения можно обнаружить при исследовании популяций некоторых насекомых, чья численность колеблется совершенно хаотично (рис. 8.4). В дальнейшем мы обсудим доступные на сегодняшний день математические модели, позволяющие ученым строго обрабатывать даже абсолютно нерегулярные процессы (см. главы 12 и 13).

^{Рис. 8.4. Временные колебания численности популяций насекомых}

Приведенные примеры показывают, насколько наивна идея статического равновесия в биологических системах. С другой стороны, никогда не следует забывать о том, что реальное природное равновесие в высшей степени чувствительно, и это его свойство вновь возвращает нас к основному принципу синергетики.

В предыдущих главах мы на ряде примеров из физики и химии показали, что в определенных критических точках даже минимальные изменения

внешних условий могут вызвать серьезные изменения на макроскопическом уровне. В ходе рассмотрения приведенных примеров мы постоянно сталкивались с такого рода изменениями внешних условий, вследствие чего системы достигали более высокого уровня упорядоченности. Естественно, все эти процессы можно рассматривать и с другой стороны, в другом направлении, т. е. имея в виду то, что минимальные изменения внешних условий могут, помимо прочего, и полностью разрушить существующий в системе порядок.

Многие из процессов, протекающих внутри популяций в животном мире, могут быть описаны с привлечением математики, так что мы имеем возможность использовать для решения подобных проблем математические методы синергетики. На математическом уровне вновь обнаруживаются далеко идущие аналогии между происходящим в живой и неживой природе. Результаты можно изложить в нескольких словах. Небольшие изменения внешних условий и в живой природе могут приводить к возникновению состояния упорядоченности, полностью отличного от предыдущего состояния системы, т. е. к новому распределению различных видов. Это становится очевидным, стоит лишь рассмотреть, к примеру, распределение всевозможных растений в горах. Здесь часто имеется очень строгое разделение по высоте, определяющее границы различных растительных поясов, или зон, схожих с хорошо всем известными климатическими зонами Земли. На этом примере отчетливо видно, что в конкурентной борьбе победителями могут оказаться совершенно не похожие друг на друга растения, и оказаться практически внезапно, если, к примеру, совсем незначительно изменить среднегодовую температуру в регионе. Того же следует ожидать и при изменении условий окружающей среды в результате вмешательства человека. Скажем, если мы спустим в реку сточные воды и повысим тем самым уровень загрязнения воды, скажем, на десять процентов, то с нашей стороны будет, по меньшей мере, наивно ожидать, что и численность обитающих в такой воде рыб сократится на те же десять процентов. В действительности же при приближении к критическим значениям достаточно минимального повышения уровня загрязненности, чтобы это изменение привело к полному вымиранию той или иной популяции или, другими словами, к разрушению равновесия, существовавшего в водной системе до этого. Здесь основной принцип синергетики, уже в который раз упоминаемый на этих страницах, проявляется особенно ярко: в определенных точках неустойчивого равновесия даже малейшие изменения внешних условий могут иметь для системы самые трагические последствия.

В последние годы стало ясно, насколько актуальными оказались наблюдения, сделанные мной еще в первом издании этой книги. В этой связи следует еще упомянуть об озоновой дыре и климатической катастрофе. В первом случае относительно небольшие количества определенных газов (хлорфторуглеводороды, CFC) приводят к разрастанию озоновой дыры, вследствие чего уже сейчас в южном полушарии — приблизительно в районе Австралии — уровень проникающего сквозь атмосферу излучения становится угрожающе высок. Когда говорят о климатической катастрофе, имеется в виду прежде всего распространившийся на всю планету эффект глобального потепления, вызванный, в частности, выбросами в атмосферу больших количеств углекислого газа. Однако, на мой взгляд, остается открытым вопрос о том, достиг ли уже климат благодаря произведенному человечеством воздействию («антропогенный эффект») критической — именно в синергетическом смысле этого слова — точки или же биосфера еще в состоянии поддерживать существующие контрольные механизмы для стабилизации климата. Земле, в конце концов, довольно долго (сотни миллионов лет) удавалось сохранять благоприятные для жизни условия в очень узких рамках. Сказанное мною ни в коем случае не означает, что мы можем легкомысленно относиться к загазованности атмосферы и т.п., однако следует остерегаться поспешных и сеющих панику выводов.

В заключение вернемся еще раз к самой Природе. В природе также происходят изменения: например, вследствие изменения климата изменяются условия окружающей среды. С особой явственностью из всего вышесказанного вытекает, что даже незначительные климатические изменения оказываются способны запустить принципиально новые селективные процессы, призванные «форсировать» темпы развития.

Однако такое «ускорение развития» вовсе не означает, что вновь возникшие при этом виды должны оказаться объективно лучше вытесненных прежних видов — они всего лишь будут лучше приспособлены к новым условиям жизни. К тому же не исключено возникновение таких изменений, которые можно будет рассматривать как обратное развитие: например, высокоорганизованные организмы могут быть вытеснены более простыми. Это может происходить уже на уровне биомолекул, которые под влиянием новых условий жизни отбросят ту часть наследственной информации, без которой они не просто сумеют теперь обойтись, но еще и получат возможность быстрее размножаться. Подобные эксперименты проводились Солом Шпигельманом: речь идет о молекулах РНК определенных фагов.

Хотя в живой природе мы имеем дело с явлениями и сущностями, ничуть не похожими на те, что мы обсуждали в ходе рассмотрения химических реакций или процессов, протекающих в лазере или в жидкости, все же и там, и здесь действуют одни и те же фундаментальные принципы. В роли параметра порядка теперь выступают те или иные биологические виды, но и такие параметры порядка оказываются способны конкурировать друг с другом, кооперироваться между собой или просто сосуществовать.

Небольшие изменения внешних условий могут привести к возникновению совершенно нового параметра порядка или целой системы таких параметров. Необходимым при этом является соблюдение одного-единственного условия: каждый новый параметр порядка — а в нашем случае это новый биологический вид — должен сначала каким-то образом возникнуть. В лазере это было спонтанное возникновение световой волны, в жидкости — небольшое изменение температуры, в химических реакциях — начальная реакция или спонтанное возникновение молекулы нового типа. Перед нами снова проявление взаимодействия необходимости и случайности. Вследствие внешних изменений создаются условия, в которых возникает новое состояние упорядоченности, предписанное соответствующим параметром порядка; но сначала благодаря случайности — в биологии эту роль берет на себя мутация — должен возникнуть новый вид, или же вид, существовавший до сих пор только в ограниченном количестве (например в узкой экологической нише), должен получить возможность к беспрепятственному размножению и стать господствующим.

Во всех предыдущих случаях мы уже видели, что существует своеобразная связь между параметром порядка и элементом системы, индивидуумом; рассмотрим еще один пример такой связи. В ряде случаев параметру порядка можно присвоить некоторое простое математическое значение; в нашем примере это будет численность представителей одного биологического вида. Временные изменения этой величины можно проследить по данным относительно численности видов в какой-то определенной местности или в отдельных случаях воспользоваться результатами предварительных расчетов. За всеми этими цифрами скрывается огромное множество индивидуальных судеб, определяемых параметром порядка — общей численностью популяции — с неумолимой твердостью. Если в распоряжении какой-нибудь слаборазвитой страны в определенный период времени окажется меньше средств для поддержания жизнедеятельности, чем необходимо ее жителям, то их численность сократится — параметр порядка уменьшится; однако кого именно постигнет эта ужасная участь, остается неизвестным. Нечто подобное происходит и в политической, и в экономической жизни. Относительно параметра порядка возможны предположения общего характера, но нельзя сделать никаких предсказаний, касающихся отдельных индивидуумов — к этому факту мы еще неоднократно вернемся в дальнейшем.