Как ведутся историко-экологические работы

Законченное историко-экологическое исследование состоит из ряда этапов, но как минимум их должно быть три. На первом этапе выясняется, что представляет собой исследуемый объект, когда он существовал и каково его место в ряду других? На втором этапе ведется реконструкция типа динамики изучаемой системы, с попытками оценить разные параметры этой динамики. Этап третий (если до него доросло исследование) - построение или проверка существующих теоретических конструкций (гипотез, концепций, теорий).

Этап первый - реконструкция отдельных состояний изучаемых систем. В курсе лекций этому разделу уделяется много внимания. Нужно, чтобы студенты ясно представляли все разнообразие источников историко-экологической информации и специфику работы с каждым их них. Круг таких источников очень широк - это и археологические памятники, и зоогенные скопления костей животных в пещерах, и прослои со скоплением органических остатков в аллювиальных отложениях, где можно найти и раковины моллюсков, и хитин жуков, и остатки семян растений; масса богатых находок ждет исследователя в донных отложениях озер. Классическим объектом палеоботанических реконструкций для голоцена служат отложения торфа. Умелая работа с древними текстами рукописных и печатных книг, разного рода документами (от податных книг до священных текстов) тоже может принести грамотному исследователю богатые сведения о состоянии экосистем прошлого. Даже старые фотографии и рисунки иногда служат отправным документом, например, для реконструкции динамики таких важных характеристик живой природы, как изменение положения верхней границы леса в горах, краевых образований ледников. Сейчас даже космические снимки, сделанные в разные десятилетия, можно отнести к арсеналу исторической экологии, так как они дают возможность ретроспективного взгляда на множество характеристик живого покрова нашей планеты.

Когда исследователь находит местонахождение с остатками древней жизни, например, пещеру, в рыхлых отложениях которой накопились кости животных, из которых можно извлечь пыльцу или макроскопические остатки растений, начинается полевой этап исследования. Раскопки ведут примерно так же, как это делают археологи, раскапывая древние поселения или могильники. Главное на этом этапе - зафиксировать все детали для выделения и характеристики отдельных слоев и прослоек, чтобы в подробностях разобраться, какие из них накопились раньше, а какие позже и какие факторы обусловили их образование. Процесс раскопок по своей природе двойственный: это одновременно и исследование объекта, и его разрушение. Так что если в ходе раскопок что-то не зафиксировано, то оно будет утрачено навсегда. Здесь много тонкостей и профессиональных хитростей, которыми в курсе лекций и на практических занятиях профессионалы делятся со студентами.

Полученный в ходе раскопок материал должен превратиться в научную коллекцию. Для этого остатки определяют по принадлежности к частям скелета или органов и, как можно точнее, - по таксономической принадлежности. Итог этого этапа - составление списков таксонов с указанием обилия каждого из видов для каждой из не делимых далее порций материала, отражающих определенный этап накопления остатков прежней жизни. Это очень трудоемкое дело. Ведь чем более тонкие пространственно-временные различия предстоит оценить, тем больше материалов должна содержать каждая выборка. Иногда приходится идти на громадные трудозатраты, но зато появляется твердая уверенность, что в списках оказались даже самые редкие виды, которые обитали на исследуемой территории в изучаемом отрезке времени, а доли остатков видов получают устойчивые оценки. Например, для каждого из 11 позднеледниковых горизонтов пещеры Расик было извлечено и определено от 1,5 до 9 тыс. только коренных зубов грызунов.

Для того, чтобы разносторонне интерпретировать полученные материалы, нужно разобраться в большом комплексе вопросов. Здесь можно их только обозначить. Когда и за какое время накапливался каждый слой? Были ли перерывы в образовании слоев и, если да, то какие? В какой степени в сборах идет осреднение годичных флуктуаций состава и структуры сообществ? С какой территории происходило накопление остатков в данном месте? Каков механизм этого накопления и каковы факторы избирательности такого накопления? И так далее… Ответы на эти вопросы должны дать в руки исследователя материалы, необходимые для запуска процедуры реконструкции отдельных элементов прошлых локальных экосистем.

В процессе сбора материала постоянно убеждаешься в той простой истине, что "нет в мире совершенства", так как в одном месте (разрезе) невозможно найти весь необходимый комплекс материалов для полноценных реконструкций. Приходится изобретать способы соединения разрозненных материалов. Нами используются понятия локальной, региональной и зональной фауны и флоры для реконструкции локальных, региональных и зональных типов экосистем. В основе методологии таких реконструкций лежит сочетание принципов актуализма и историзма, примиряет которые принцип развития. Для древних экосистем, для которых существуют прямые аналоги среди современных, в процедуре реконструкции нет принципиальных сложностей, скорее, это дело техники и упорства. Когда же приходится иметь дело с временами, хотя и не столь отдаленными от современности, но относящимися к другой климатической эпохе, то возникают сложности принципиальные. Около 10 тыс. лет назад прошел климатический рубеж, разделивший современный (послеледниковый) период и последнюю ледниковую эпоху. По ту сторону этого рубежа длительное время не существовало знакомых нам зональных экосистем: тундр, лесов, степей. А что же было? Сейчас уже относительно неплохо известно, какие животные и растения где жили. Коротко разберем такое сообщество на примере экосистем Среднего Урала в так называемую эпоху позднего валдая (20 -14 тыс. лет назад). Знаковым видом животных этой эпохи был мамонт. Все другие животные образуют несколько групп. Это, например, крупные травоядные, которые вымерли одновременно с мамонтом (шерстистый носорог, первобытный бизон, гигантский олень, уральская лошадь), и крупные, тоже вымершие к настоящему времени хищники и падальщики (пещерный лев, пещерная гиена, пещерный медведь). Однако там же обитали и виды, которые живут на Земле в наши дни, хотя и не на этой территории, сейчас занятой лесной зоной. Речь идет об антилопе-сайге, сусликах, сурках и тушканчиках со степными пеструшками и пищухами, которые сейчас живут в степях и пустынях. Но здесь же жили и предки современных тундровых леммингов, овцебыков и северных оленей. Под стать такому вселенскому смешению животных была и растительность. Эти сообщества называют и трактуют их природу по-разному. В отечественной литературе самое распространенное их название - тундро-степные, смешанные, в американской - безаналоговые, или дисгармоничные сообщества. Различны здесь не только названия, но и концепции, на которых основаны трактовки самого феномена. На Урале развивается своеобразная концепция, основанная на представлении об особом, но зональном типе природы в ледниковые эпохи со своеобразным распределением тепла и влаги по сезонам, при значительной роли отсутствующего сейчас фактора покровных ледников на Европейской равнине. Мы называем ее концепцией гиперборейной зоны. Суть ее сводится к признанию качественного своеобразия состава и структуры экосистем, которые невозможно свести к гибриду между современными степями и тундрами [Смирнов, 2001]. Ее разработка неразрывно связана с внедрением самых современных методов исследований. Один из примеров. С появлением новейших вариантов радиоуглеродного метода (акселераторной масс-спектрометрии - AMS) появилась возможность абсолютных датировок, дающих ошибку всего в несколько десятков лет при возрасте образца около 15 тыс. лет. Особенно важно, что такие датировки можно получать, используя совсем малое количество исходного материала. Нам удалось принять участие в коллективном проекте с американскими коллегами - палеонтологами и специалистами ведущего ядерного центра США (Ливерморской лаборатории), в результате которого впервые был однозначно разрешен один из важнейших аспектов проблемы природы "смешанных" фаун. С применением AMS-технологии были продатированы единичные челюсти разных видов мелких грызунов, современные потомки одних из которых живут в степях, а - другие в тундрах. Возраст остатков совпал настолько, что отпали всякие сомнения в том, что зверьки, которым принадлежали эти челюсти, жили на одной территории одновременно. В результате было отвергнуто предположение о том, что одновременное обитание на одной территории кардинально разных в экологическом отношении животных - лишь иллюзия, возникающая в результате очень быстрой смены природных условий от тундровых до степных.

Только с использованием массовых радиоуглеродных датировок решается на современном уровне и проблема времени вымирания отдельных видов. Не так давно считалось, что в средних широтах мамонты вместе со многими другими животными, вроде пещерных медведей, шерстистых носорогов и овцебыков, вымерли около 10 тыс. лет назад. Однако недавно российские исследователи установили, что этот процесс был сильно растянут во времени, причем происходил далеко не одновременно на разных территориях. Самый впечатляющий феномен связан именно с мамонтами. Выяснилось, что совсем недавно, всего около 4 тыс. лет назад, когда в Древнем Египте на папирусе грамотные люди уже выводили первые записи, на острове Врангеля все еще бродили стада мамонтов. Если посмотреть на проблему вымирания на рубеже ледниковой и послеледниковой эпох в более общем виде, то ее можно сформулировать как проблему типологии реакций живых систем на очень резкий климатический скачок на рубеже плейстоцена и голоцена. В ней есть очень существенная часть, "подведомственная" исторической экологии, целый букет сложных вопросов, который заслуживает подробного рассмотрения в отдельной статье.

Этап второй - описание разных параметров динамики систем. На этом этапе внимание сосредоточено на описании таких параметров динамики популяций и экосистем, как протяженность, направление, скорость, средовая или внутренняя обусловленность изменений. Начнем со средовой обусловленности. Всех волнует проблема глобального потепления климата. Экологии принадлежит тот ее аспект, который касается не собственно реконструкции или предсказания этих изменений (это удел климатологии), а реакции экосистем и видов на это самое потепление. За последние 15-20 тыс. лет, т. е. на памяти человека современного вида, чего только с климатом не происходило! Современное потепление - совсем незначительный эпизод в ряду прошлых катаклизмов. Природа поставила громадное количество экспериментов в этом русле. Из этих экспериментов одни виды вышли, сильно расширив ареалы, другие их сократили, третьи совсем исчезли с лица Земли. Реакции таких сложных образований, как природные экосистемы, еще более неоднозначны. Было бы наивным самообманом сказать, что современная наука могла бы правильно предсказать итог каждого из таких экспериментов. В настоящее время нет единого взгляда даже на типологию реакций видов на климатические сдвиги исторического масштаба. Одни исследователи считают, что такие реакции сугубо индивидуальны для каждого вида растений и животных, другие говорят о групповых реакциях. Наш опыт изучения этой проблемы подсказывает, что ситуация сильно зависит от конкретной обстановки. На современном этапе более продуктивно изучение отдельных параметров динамики.

Последние три года нами выполнялся проект, поддержанный РФФИ и специально посвященный исследованию одного из таких параметров - скорости преобразований экосистем и отдельных видов. Наибольшее внимание было уделено скоростям морфологической эволюции в популяциях животных. В основе интриги находился загадочный феномен зависимости скорости эволюционных изменений от длины временного отрезка, на котором эту скорость оценивали.

Неравномерность скоростей является одним из основных атрибутов органической эволюции, и поиск закономерностей в их распределении - одна из интереснейших областей исследования, которая давно привлекает внимание биологов.

Ряд соображений заставил сосредоточиться на динамике одних и тех же признаков в ряду предков и потомков. Для изучения этих процессов на временных отрезках, длительность которых превышает значения, доступные экспериментальному изучению, чаще всего привлекается палеонтологический материал. Примеры такого рода послужили одним из важнейших оснований выдвижения теории прерывистого равновесия (пунктуализм). Она была предложена в качестве альтернативной по отношению к теории градуалистической эволюции, подразумевающей постепенные преобразования с относительно равномерными скоростями на разных временных отрезках. На первых этапах ее выдвижения дискутировался вопрос о том, какая из моделей - прерывистого равновесия или градуализм - правильнее описывает эволюционный процесс. Далее такая постановка вопроса была заменена другой: какая из моделей чаще соответствует процессам, которые происходят в разных группах живого?

Один из феноменов, давно выявленных, но до сих пор интригующих многих исследователей, состоит в том, что темпы морфологических преобразований связаны с интервалом времени, на котором их оценивали. Эта связь обычно бывает обратной, т.е. на малых временных отрезках отмечаются более высокие скорости, чем на больших. В общем виде объяснение этого феномена приходит к каждому, кто попытается в нем разобраться. Не вызывает особых сомнений, что при оценке эволюционных изменений на большом временном отрезке отсутствие информации о динамике изучаемых характеристик внутри этого отрезка, вероятнее всего, приведет к осреднению скоростей разнонаправленных процессов (в том числе и быстрых), в то время как на малых временных отрезках более вероятно уловить кратковременные флуктуации, расчет скоростей которых по той же методике, что и для скоростей эволюции, дает очень большие величины. Интерес к отмеченному феномену не угасает из-за громадных и еще не исчерпанных возможностей его анализа.

Среди других работ в этой области нами был детально проанализирован пример сверхвысоких скоростей морфологических преобразований зубной системы у одного из видов грызунов - копытного лемминга. На нем было показано, что значительная часть рассмотрения феномена неоднородности темпов переходит в плоскость объяснения того, почему именно на коротких отрезках наблюдается очень большая неоднородность скоростей. Первыми и, на наш взгляд, главными являются причины методического плана. При не слишком строгом отборе материала для анализа значительная часть больших морфологических различий имеет географическую природу, а не временную. Работы такого плана должны опираться на популяционную идеологию и использовать специфические методы исследования динамических процессов в популяциях с учетом определенного масштаба. Это означает, что при поисках исторических трендов осреднение численных характеристик по выборкам из популяции можно проводить только с учетом как пространственной, так и временной неоднородности, возникающей за счет процессов актуального масштаба. При использовании методики парных сравнений (а не анализа временных рядов, который значительно больше соответствовал бы природе исследуемого процесса) могут наблюдаться очень заметные и статистически значимые морфологические различия между сравниваемыми парами выборок, которые, однако, часто не образуют устойчивого тренда и потому должны быть отнесены либо к категории хронографических флуктуаций актуального масштаба, либо к просто случайным; и те, и другие непригодны для расчета скоростей направленного эволюционного процесса.

Главное - невозможность использования модели анализа, выработанной для процессов в эволюционном масштабе, к процессам в масштабе историческом. Для внутривидовых исторических преобразований необходимо выработать своеобразную процедуру оценки скоростей преобразований. Она должна учитывать, что такие процессы идут не по моно- или полифилетическому принципу, как эволюция высших таксонов, а в соответствии с сетчатой моделью взаимодействующих популяций. На этом пути видятся перспективы важных открытий.

Этап третий - построение теоретических конструкций. Модели, концепции, теории, законы - словом, конструкции, без которых невозможно построить теоретическую часть любой науки, в нашей отрасли пока только нарождаются. Помогает, опять же, позиция "на перекрестке". Думается, что успех ждет на пути использования аналитического аппарата из других близких наук. Вдохновляющий пример дает, например, работа С. П. Капицы с соавторами "Синергетика и прогнозы будущего" [2001]. Современную проблематику исторической экологии существенно стимулируют не столько сюжеты из далекого прошлого природы и общества, сколько острые дискуссии по проблемам, волнующим общество сейчас. Просто специалисты, хорошо знающие это прошлое, видят современность сквозь опыт многих событий, в которых повседневность порождала историю, а та в свою очередь уходила в вечность. Это касается не только человеческой истории и истории природных систем, но и их неразрывной связи. Поиск общих закономерностей в динамике актуальной, исторической и эволюционной на всех этажах организации живого и разумного - это достойная перспективная задача для нескольких будущих поколений.

Список литературы

1 Биологический энциклопедический словарь. М., 1986.

2 Горчаковский П. Л. Основные проблемы исторической фитогеографии Урала. Свердловск, 1969. (Тр. Ин-та экологии растений и животных УФАН СССР; Вып. 66).

3 Капица С. П., Курдюмов С. П., Малинецкий Г. Г. Синергетика и прогнозы будущего. М., 2001.

4 Смирнов Н. Г. Зональное распределение млекопитающих в позднем валдае на Урале // Мамонт и его окружение: 200 лет изучения. М., 2001.

5 Смирнов Н. Г., Большаков В. Н. и др. Историческая экология животных гор Южного Урала. Свердловск, 1990.

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.eunnet.net/