Общие фундаментальные принципы и законы

Фундаментальные законы термодинамики имеют универсальное значение в природе. Понимание этих законов чрезвычайно важно для обеспечения эффективного подхода к проблемам природопользования.

Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии: энергия не создается и не исчезает, а превращается из одной формы в другую. Энергия Солнца превращается в энергию пищи путем фотосинтеза.

Второй закон термодинамики: любой вид энергии в конечном счете переходит в форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающуюся. Для всех энергетических процессов характерен процесс перехода от более высокого уровня организации (порядка) к более низкому (беспорядку). Тенденция энергии к деградации выражается термином «возрастание энтропии».

Аналогию между взаимодействием в физическом мире и живой природе можно проследить на примере знаменитых экологических законов Б. Коммонера:

- ничто не дается даром (принцип сохранения);

- все должно куда – то деваться (принцип сохранения);

- все связано со всем (отсутствие изолированных систем, следствие из 2 закона термодинамики);

- природа знает лучше (первенство природы).

Тот факт, что ограниченные дозы (или отсутствие) любого из необходимых растению веществ, ведет к замедлению роста, обнаружен и изучен немецким химиком Юстасом Либихом. Сформулированное им в 1840 г. правило называют законом минимума Либиха: «величина урожая определяется количеством в почве того из элементов питания, потребность растения в котором удовлетворена меньше всего». Закон минимума справедлив как для растений, так и для животных, включая человека, которому в определенных ситуациях приходится употреблять минеральную воду или витамины для компенсации недостатка каких-либо элементов в организме.

Закон неоднозначного действия фактора на различные функции организма: любой экологический фактор неодинаково влияет на функции организма, оптимум для одних процессов (дыхания), не есть оптимум для других (пищеварения), и наоборот.

В 1930 г. Э. Рюбелем был установлен закон компенсации факторов: отсутствие или недостаток некоторых экологических факторов может быть компенсировано другим аналогичным фактором.

Например, недостаток света может быть компенсирован для растений обилием диоксида углерода, а при построении раковин моллюсками недостающий кальций может заменяться на стронций.

Однако, подобные возможности чрезвычайно ограничены. В 1949 г. В. Р. Вильямс сформулировал закон незаменимости фундаментальных факторов: полное отсутствие в среде фундаментальных экологических факторов (света, воды) не может быть заменено другими факторами.

К этой группе уточнений закона Либиха относится несколько отличное от других правило фазовых реакций «польза – вред»: малые концентрации токсиканта действуют на организм в направлении усиления его функций, тогда как более высокие концентрации угнетают или даже приводят к его смерти. Эта токсическая зависимость справедлива для многих, но не для всех ядовитых веществ.

В 1913 г. американский зоолог В. Шелфорд установил фундаментальный биологический закон толерантности: любой живой организм имеет определенные, эволюционно унаследованные верхний и нижний пределы устойчивости к любому экологическому фактору.

Другая формулировка закона В. Шелфорда поясняет почему закон толерантности одновременно называют законом лимитирующих факторов: даже единственный фактор за пределами зоны своего оптимума приводит к стрессовому состоянию организма и в пределе – к его гибели.