ГЕОБОТАНИКА И КИБЕРНЕТИКА

Очень интересная трактовка закономерностей растительного сообщества и в целом биогеоценоза открывается перед нами при рассмотрении их с точки зрения кибернетики. Что такое кибернетика? Это наука, изучающая закономерности, управляющие взаимосвязью объектов, образующих сложную совокупность или кибернетическую систему. В каждую такую систему поступают извне потоки информации, т. е., другими словами, потоки тех новых возможностей, которые в этой системе и осуществляются.

Если в качестве примера кибернетической системы представим растительное сообщество, то в него будет непрерывно входить информация, обусловленная такими факторами, как свет, температура, вода, углекислота и минеральные вещества почвы. К ним нужно добавить еще такие, как занос семян и спор, а также внедрение разрастанием, например от корневищ, растений из других сообществ, влияние животных и человека. Все эти факторы составляют так называемую «входную связь» сообщества с внешней средой. При этом сама собою напрашивается необходимость иметь в виду не только само растительное сообщество, но весь биогеоценоз в целом. Обратная связь биогеоценоза с внешней средой будет выражаться в потоке обратной информации, обусловленной выходом органического вещества и дальнейшим развитием почвообразовательного процесса.

Но это лишь весьма неполная схема. Например, академик И. И. Шмальгаузен видит входную связь биогеоценоза со средой также в том, что происходит естественный отбор внутри совокупностей особей каждого вида в биогеоценозе, т. е. внутри популяции каждого вида. Этим достигается регуляция эволюции, которая приводит к образованию внутри популяции новых форм, которые и служат обратной связью, т. е. сигналами обратной информации.

Вообще саморегуляция, или, как ее называют, авторегуляция, является очень важным свойством кибернетических систем. На авторегуляции основано устройство сложных вычислительных и «думающих» машин, устройство роботов, имитирующих людей, например, роботов, регулирующих уличное движение, или роботов-животных, например, искусственной дрессированной собачки. Можно привести бесчисленное количество примеров авторегуляции в биогеоценозах. Один из наиболее простых случаев авторегуляции в биогеоценозе состоит, например, в том, что чем больше особей растений (или животных) будет в нем погибать вследствие конкуренции, тем больше будет обогащаться органическим веществом почва и, следовательно, она будет в состоянии обеспечить почвенным питанием более богатую растительность.

Результатом авторегуляции биогеоценоза и его составной части — растительного сообщества является существование относительно устойчивых узловых (климаксовых) биогеоценозов и фитоценозов. При выведении сообщества из состояния такого относительного равновесия, например при вырубке или пожаре в лесу, последний, если это место не подвергается новым воздействиям человека, вновь восстанавливается на нем. Процессы самовосстановления растительных сообществ представляют очень яркие примеры сложнейшей авторегуляции, видимо состоящей из совокупности и взаимодействия более простых авторегуляционных процессов. Поскольку при этом восстанавливается также создаваемый данным раотительным сообществом местный климат, или так называемый фитоклимат, и в значительной мере животное население и почва, то это можно рассматривать, как авторегуляцию всего биогеоценоза в целом.

Общеизвестным примером самовосстановления будет восстановление растительности на залежах, т. е на местах, бывших когда-то распаханными, но затем заброшенных. Если такая залежь находится на месте распаханной когда-то ковылыной степи, то на ней не сразу, конечно, а после ряда промежуточных этапов восстанавливается снова ковыльная степь, для чего, понятно, требуется значительный срок, около нескольких десятков лет. В Колхиде среди чайных плантаций можно встретить залежи, очень быстро зарастающие лесом, таким самым лиственным лесом, который был на них до распашки. В средней полосе России, во Владимирской области, можно встретить участки елового леса, на почве которого еще сохранились остатки борозд. По рассказам стариков, здесь еще в прошлом столетии были пашни, впоследствии заброшенные, вероятно, потому, что почвы стали неплодородными. И здесь сам собою восстановился еловый лес, бывший на них, очевидно, и до распашки.

А. Ф. Флеров в своей книге «Флора Владимирской губернии» (1902) пишет, что при зарастании залежи еловым лесом типичные для ельников травы и кустарнички появляются не скоро, а по достижении такими лесами возраста около 100 лет.

Н. И. Кузнецов (1904) описал, как восстанавливается на заброшенных пашнях уже не еловый, а сосновый лес тоже во Владимирской области. Кстати, этого автора называют Н, И. Кузнецов- Владимирский (1871—1942) в отличие от известного ботаника- систематика и ботаника-географа — другого Николая Ивановича Кузнецова (1864—1932).

На заброшенных пашнях, пишет автор, начинают появляться деревца осины, ели, березы, ивы, а по-видимому несколько позднее также сосны и можжевельника. Из трав сильно разрастается кошачья лапка, а из кустарников появляется вереск, главным образом около древесных зарослей. Через 8—10—12 лет под древесными зарослями, преимущественно уже сосновыми, находят приют черника, колокольчик персиколистный и другие лесные растения. Здесь же, но на более открытых местах больше выделяется вереск, а местами образует небольшие куртины олений лишайник. В дальнейшем, по мере подрастания сосен, покров вереска и оленьего лишайника, изреживается. В 30-летнем сосняке живой покров становится очень бедным, но в дальнейшем обогащается типичными лесными видами.

Однако известно много и таких случаев, когда воздействие человека было настолько сильным, что первобытная растительность уже не может восстановиться в этих местах. Имеются данные, например, о том, что на некоторых участках пустыни Сахары были когда-то леса, но они сами уже не могут восстановиться, так как исчезли и почва и климат, благоприятные для поселения леса. В исчезновении этих лесов, очевидно, играли роль и вырубки и выжигание с последующей распашкой или выпасом скота, причем все эти воздействия носили настолько хищнический характер и были настолько длительными, что за ряд столетий превратили местность в пустыню.

Остановимся еще на примере авторегуляции (саморегуляции) растительного покрова в процессе смен, т. е. на кибернетической стороне смен. Авторегуляция в процессе смен выражается, например, в том, что определенная структура сообщества может передаваться от фитоценоза к фитоценозу. Последовательные этапы такой смены мы наблюдали на Кавказе в горах Кабардино-Балкарии. Здесь местами плотнокустовой злак пестрая овсяница (F. varia Haenke) встречается не как обычно на высотах около 2000 м над уровнем моря и выше, а уже и на 1300 м и даже немного ниже. Замечается, что на таких сравнительно небольших высотах пестрая овсяница тяготеет к опушкам и полянам среди березняков, причем выглядит на этих высотах несколько угнетенно; значительная часть ее листвы сохнет здесь от основания, образуя характерные, заметные уже издали сухие пучки, прижатые к земле. Здесь пестрая овсяница тяготеет к березнякам, может быть потому, что находит среди них защиту от летней засухи и жары.

В среднегорном поясе Кавказа пестрая овсяница могла процветать в те климатические эпохи, когда лето было менее жарким. Сокращая площади березняков, человек способствовал сокращению на этих высотах и фитоценозов с преобладанием пестрой овсяницы. На таких участках пеструю овсяницу энергично вытесняет более ксерофильная келерия стройная (Koeleria gracilis Pers.), причем происходит это путем поселения келерии в микрофитоценозах с преобладанием пестрой овсяницы, т. е. другими словами внутри ее крупных, но угнетенных дерновин, тогда как другие микрофитоценозы остаются ненарушенными. Прослеживаются постепенные переходы от таких микрофитоценозов, где келерия примешивается к пестрой овсянице, до таких, где пестрой овсяницы уже нет, но сама келерия воспроизводит ее габитус, одевая своими плотными дерновинами кочку, оставленную пестрой овсяницей. На языке кибернетики кочки эти с остатками дерновин пестрой овсяницы являются как бы матрицами, рбеспечивающими сохранение прежней структуры микрофитоценоза при новом доминирующем виде. Впоследствии и келерия местами уступает место ковылю (S. capillata L.), занимающему те же самые кочки.

 Условиями, обеспечившими сохранение структуры сообщества, явились в данном случае постепенное отмирание дерновин пестрой овсяницы и постепенная замена их габитуально сходными дерновинами келерии, а затем и ковыля. Отмирающие дерновины пестрой овсяницы как раз и создали «матрицу» со своего рода кодом, передаваемым микрофитоценозам-преемникам.

В результате этой смены меняются микрофитоценозы кочек, и хотя это существенным образом не отражается на тоже ксе- рофильных микрофитоценозах промежутков между кочками, но весь фитоценоз будет уже не пестроовсяницевой степью. Сначала она сменяется келериевой степью, а затем ковыльной степью.

Мы привели именно этот пример, как очень наглядный. По существу различного рода матрицы, передающие те или иные коды, осуществляются при самых разнообразных сменах растительных сообществ. Например, в приведенной выше смене на бугристом солончаке сарсазан, постепенно отмирая, создает матрицу с кодом для заселения калидиума. Сходные явления имеют место при сменах пород в лесах. Более сложные матрицы создаются под землей микроорганизмами ризосфер, когда определенный набор микроорганизмов' ризосферы какого-либо вида растений постепенно заменяется микроорганизмами другого вида растений, приходящего на смену первому. Но эти передачи определенных свойств сообщества отживающего — сообществу, его сменяющему, характерны в более типичном виде для смен последовательных, для смен же внезапных характерны коренная ломка старого и создание нового на иных началах, без ощутительной преемственности со старым. Мы говорим, однако, «без ощутительной преемственности», так как определенная доля преемственности бывает и при внезапных сменах.

Может быть, некоторые из читателей отнесутся скептически к трактовке смен фитоценозов с точки зрения кибернетики. Какие там матрицы и какие коды?—скажут они,— к чему здесь применять эти термины? Но на это замечание можно ответить, что, применяя понятия «матрица» и «код», мы заостряем внимание на тех процессах, которые содействуют смене одного фитоценоза другим. В приведенном выше примере с пестрой овсяницей, келерией и ковылем это видно очень наглядно, почему мы и привели этот пример. Отмирая, пестрая овсяница оставляет те места на кочке, где раньше размещались части ее дерновин, она оставляет как бы программу, следуя которой на этих самых местах разрастается келерия, а впоследствии келерия оставляет аналогичную программу ковылю. Такие программы в целом мы и сравниваем с матрицами, а содержание их, т. е. отмирающие части дерновин сначала пестрой овсяницы, а впоследствии ковыля, образуют коды этих матриц.         

Следует отметить и то, что кажущиеся таинственными случаи восстановления определенных сообществ на местах, где они были когда-то уничтожены, например, распашкой, также могут быть объяснены не иначе, как с использованием понятий матриц и кодов. При этом в качестве матрицы будет выступать прежде всего сама почва, а в качестве кодов —конкретные детали распределения в ней семян и подземных органов и их остатков, а также остатков ризосфер той растительности, которая существовала в этом месте до распашки. Эти коды облегчают приживаемость растений и из заносных семян, создавая «проторенную дорожку» для видов, образующих узловое сообщество этого места.

Увлекательной и многообещающей задачей геоботанической кибернетики является построение искусственных моделей биогеоценозов, обладающих способностью самовосстановления. Задача эта сложная, но, нужно полагать, выполнимая. Первым этапом на этом пути должно явиться создание математических моделей, которые отражали бы обмен веществом и энергией как внутри биогеоценоза, так и с внешней средой.

Такого рода модели как вещественные, так и математические — в виде формул и уравнений не должны быть самоцелью. На них следует смотреть только как на средство глубже и точнее понять свойства биогеоценоза и его ведущей части —фитоценоза. В процессе сопоставления их с природными объектами мы эти модели будем неизбежно менять, совершенствовать.