Введение

Американский эколог (1924–2002)

Говард Томас Одум (1 сентября 1924 года – 11 сентября 2002 года), обычно упоминаемый как Х. Т. Одум, был американским экологом. Он известен своими новаторскими работами в области экологии экосистем и своими смелыми предложениями о дополнительных законах термодинамики, основанными на его исследованиях в области общей теории систем.

Биография

Одум был третьим ребенком Говарда У. Одума, американского социолога, и его жены Анны Луизы (урожденной Кранц) Одум (1888–1965). Он был младшим братом Юджина Одума. Их отец "поощрял своих сыновей заниматься наукой и разрабатывать новые методы, способствующие общественному прогрессу". Говард получил ранние научные уроки о (а) птицах от своего брата, (б) рыбах и философии биологии, работая после школы для морского зоолога Роберта Кокера, и (с) электрических схемах из книги "Мальчик-электрик" (1929) Альфреда Пауэлла Моргана. Говард Томас изучал биологию в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл, где опубликовал свою первую научную работу, будучи еще студентом. Его образование было прервано на три года во время Второй мировой войны, когда он служил в военно-воздушных силах армии в Пуэрто-Рико и зоне Панамского канала, где работал тропическим метеорологом. После войны он вернулся в Университет Северной Каролины и в 1947 году окончил бакалавриат по зоологии (Phi Beta Kappa). В 1947 году Одум женился на Вирджинии Вуд, и позже у них родилось двое детей. После смерти Вуд в 1973 году он женился на Элизабет К. Одум (у которой было четверо детей от предыдущего брака) в 1974 году. Одум советовал, как управлять смешанной семьей, а Элизабет – не торопиться с дисциплиной и новыми правилами. В 1950 году Одум получил степень доктора философии по зоологии в Йельском университете под руководством Г. Эвелин Хатчинсон. Его диссертация была озаглавлена "Биогеохимия стронция: с обсуждением экологической интеграции элементов", что привело его в новую область экологии систем. Он провел метеорологический "анализ глобальной циркуляции стронция и в конце 1940-х годов предвидел взгляд на Землю как на одну большую экосистему". В Йеле Говард начал сотрудничество со своим братом Юджином. В 1953 году они опубликовали первый на английском языке учебник по экологии систем – "Основы экологии". Говард написал главу об энергетике, в которой представил свой язык энергетических цепей. Они продолжали сотрудничать в исследованиях и написании книг на протяжении всей жизни. Для Говарда язык энергетических систем (который он называл "energese") сам по себе был инструментом сотрудничества. С 1956 по 1963 год Одум работал директором Морского института Техасского университета. В это время он осознал взаимодействие экологических, энергетических и экономических сил. Он преподавал в Департаменте зоологии Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл и был одним из профессоров в новой учебной программе морских наук до 1970 года. В том же году он переехал в Университет Флориды, где преподавал в Департаменте наук об экологической инженерии, основал и руководил Центром экологической политики, а в 1973 году основал Центр университета по водно-болотным угодьям; это был первый в мире центр такого рода, который до сих пор функционирует. Одум продолжал эту работу в течение 26 лет, пока не вышел на пенсию в 1996 году. В 1960-х и 1970-х годах Одум также был председателем комитета по планированию тропического биома Международной биологической программы. Он был поддержан крупными контрактами с Комиссией по атомной энергии Соединенных Штатов, в результате чего в исследованиях приняли участие почти 100 ученых, которые проводили исследования радиации тропических дождевых лесов. Его главным проектом в Университете Флориды в 1970-х годах было перерабатывание очищенных сточных вод в кипарисовые болота. Это был один из первых проектов, в котором исследовался широко распространенный подход использования водно-болотных угодий в качестве экосистем для улучшения качества воды. Это один из его самых важных вкладов в начало области экологической инженерии. В последние годы жизни Одум был профессором-исследователем на пенсии и директором Центра экологической политики. Он был страстным наблюдателем за птицами как в своей профессиональной, так и в личной жизни. Экологическое общество присудило Одуму премию Мерсера в знак признания его вклада в изучение кораллового рифа на атолле Эниветок. Одум также получил французскую премию Prix de Vie и премию Краффорда Королевской шведской академии наук, которая считается эквивалентом Нобелевской премии в области биологических наук. Чарльз А. С. Холл назвал Одума одним из самых инновационных и важных мыслителей того времени. Холл отметил, что Одум, либо один, либо вместе со своим братом Юджином, получил практически все международные награды, присуждаемые экологам. Единственным высшим учебным заведением, присудившим почетные степени обоим братьям Одум, был Университет штата Огайо, который наградил Говарда в 1995 году, а Юджина – в 1999 году. Вклад Одума в экосистемную экологию был признан Обществом Марса, которое назвало свою экспериментальную станцию "Теплица имени Г.Т. Одума" по предложению его бывшего студента Патрика Канґаса. Канґас и его студент Дэвид Блерш внесли значительный вклад в проектирование системы рециркуляции сточных вод на станции. Студенты Одума продолжили его работу в учреждениях по всему миру, в частности Марк Браун в Университете Флориды, Дэвид Тиллей и Патрик Канґас в Университете Мэриленда, Дэниел Кэмпбелл в Агентстве по охране окружающей среды Соединенных Штатов, Энрике Ортега в UNICAMP в Бразилии и Серджио Ульджиати в Университете Сиены. Работа, проводимая в этих учреждениях, продолжает развиваться и распространять концепцию эмергии Одума. Его бывшие студенты Билл Митч, Роберт Костанца и Карин Лимбург – одни из тех, кто получил международное признание за свой вклад в экологическую инженерию, экологическую экономику, науку об экосистемах, экологию водно-болотных угодий, экологию устьев рек, экологическое моделирование и смежные области.

Новый интегративный подход в экологии

В 1950 году Одум получил степень доктора философии. В своей диссертации он дал новое определение экологии как изучения крупных целостностей (экосистем) на "естественном уровне интеграции". В традиционной роли эколога одной из целей Одума при защите диссертации было выявление и классификация крупных циклических целостностей (экосистем). Однако, еще одной его целью было создание прогностических обобщений об экосистемах, например, о всей Земле. Для Одума, рассматривавшего Землю как крупную целостность, мир представлял собой саморегулирующийся цикл с высокой стабильностью. Именно наличие этой стабильности, по мнению Одума, позволяло говорить о телеологии подобных систем. Во время работы над диссертацией Одум полагал, что принцип естественного отбора не ограничивается эмпирическими наблюдениями, поскольку содержит телеологический компонент – "стабильность во времени". Как эколог, интересующийся поведением и функционированием крупных целостностей во времени, Одум стремился сформулировать более общее определение естественного отбора, применимое как к крупным, так и к малым целостностям, традиционно изучаемым в биологии. Одум также хотел расширить сферу действия и общность принципа естественного отбора, включив в него такие крупные целостности, как Земля. Это расширение основывалось на определении целостности как совокупности свойств, сохраняющих некоторую стабильность во времени. Подход Одума был вдохновлен идеями Лотки об энергетике эволюции.

Симуляция экосистемы

Одум использовал аналогию электрических сетей для моделирования путей потока энергии в экосистемах. Его аналоговые электрические модели сыграли важную роль в разработке его системного подхода и признаны одним из первых примеров экологии систем. Поток электронов в электрической сети отражал поток вещества (например, углерода) в экосистеме, заряд в конденсаторе соответствовал запасам вещества, а модель масштабировалась для конкретной экосистемы путем изменения параметров электрических компонентов.

Исследование Сильвер-Спрингс

Сильвер-Спрингс – распространённый тип родникового ручья во Флориде с постоянной температурой и химическим составом. Исследование, проведённое Одумом здесь, стало первым полным анализом естественной экосистемы. Отталкиваясь от этой общей модели, Одум «подробно отобразил все пути потока в ручей и обратно. Он измерял приток энергии от солнца и дождя, а также от всех органических веществ – даже от хлеба, который туристы бросали уткам и рыбам – и затем измерял энергию, постепенно покидавшую родник. Таким образом, он смог установить энергетический бюджет ручья». В частности, в исследовании рассматривались последствия радиации для тропического леса Эль-Верде в Пуэрто-Рико (Одум и Пиджон), а также для коралловых рифов и океанической экологии атолла Эниветок. Братьев Одум попросили представители Комиссии по атомной энергии провести детальное исследование атолла после ядерных испытаний; атолл был настолько радиоактивным, что по прибытии Одумы смогли получить авторадиографическое изображение коралла, поместив его на фотобумагу. Эти исследования стали первыми применениями энергетических концепций к экологическим системам и изучили последствия законов термодинамики при их использовании в этих новых условиях. С этой точки зрения, биогеохимические циклы обусловлены лучистой энергией. Одум выразил баланс между притоком и оттоком энергии как отношение производства (P) к дыханию (R): P/R. Он классифицировал водоёмы на основе их соотношений P/R, которые разделяли автотрофные и гетеротрофные экосистемы: «[Измерения Одума] метаболизма проточной воды были измерениями целых систем. Одум измерял сообщество как систему, а не суммировал метаболизм компонентов, как это делали Линдман и многие другие». Данное рассуждение, по-видимому, основывалось на мнении научного руководителя Одума, Г. Э. Хатчинсона, который считал, что если сообщество является организмом, то оно должно обладать формой метаболизма. Однако Голли отмечает, что Одум попытался выйти за рамки простого представления соотношений, что привело к первому серьёзному разногласию в системной энергетике.

Теория максимальной мощности и предложение дополнительных законов термодинамики/энергетики

В спорном решении Одум и Ричард Пинкертон (в то время физик из Университета Флориды) были вдохновлены работами Альфреда Дж. Лотки по энергетике эволюции и впоследствии предложили теорию о том, что природные системы стремятся функционировать с эффективностью, обеспечивающей максимальную выходную мощность, а не максимальный коэффициент полезного действия.

Язык энергетических систем

К концу 1960-х годов экологические модели, основанные на электронных схемах Одума, были заменены более универсальным набором энергетических символов. Одум и другие считали, что при объединении в системные диаграммы эти символы представляют собой язык макроскопа, способного отображать обобщенные схемы потоков энергии: «Одум полагал, что описание таких схем и упрощение сложности экосистем до потоков энергии позволит выявить общие принципы функционирования экосистем». Некоторые пытались соотнести эту систему с проектами универсальных научных языков, возникавшими в истории естествознания. Китчинг утверждал, что этот язык явился прямым следствием работы с аналоговыми компьютерами и отражает подход инженера-электрика к задаче представления систем: «Благодаря своей электрической аналогии систему Одума относительно легко преобразовать в математические уравнения. Если же речь идет о создании модели потока энергии, то системе Одума, безусловно, следует уделить серьезное внимание».

Возникновение

В 1990-х годах, в поздний период своей карьеры, Одум и Дэвид М. Сциенсмен разработали идею эмергии как специфическое применение термина "воплощенная энергия". Некоторые считают концепцию "эмергии", которую иногда кратко определяют как "энергетическую память", одним из наиболее значимых вкладов Одума, однако эта концепция не лишена противоречий и критики. Одум рассматривал природные системы как формирующиеся благодаря использованию различных форм энергии в прошлом: "Эмергия – это мера энергии, использованной в прошлом, и, следовательно, отличается от меры энергии, доступной сейчас. Единицей измерения эмергии (исторического использования доступной энергии) является емджоуль, в отличие от джоулей, используемых для измерения доступной энергии в настоящий момент". Это было сформулировано как принцип максимального расширения возможностей (empower), который мог бы объяснить эволюцию самоорганизующихся открытых систем. Однако этот принцип был продемонстрирован лишь в немногих экспериментах и не получил широкого признания в научном сообществе.

Экологическая экология и экология систем

Для Дж. Б. Хагена принцип максимальной мощности и принцип стабильности легко переводились на язык гомеостаза и кибернетических систем. Хаген утверждает, что петли обратной связи в экосистемах, по мнению Одума, были аналогичны петлям обратной связи, схематично изображаемым в электронных схемах и кибернетических системах. Этот подход ознаменовал проникновение кибернетических идей в экологию и привёл к формированию экологии систем. В работах Одума эти концепции составляют часть того, что Хаген назвал "амбициозной и своеобразной попыткой создать универсальную науку о системах".

Макроскоп

Хаген определил системы, рассматривая Одума как форму целостного мышления, противопоставлявшего целостный подход системной науки редукционистскому, микроскопическому мышлению, и использовавшего термин "макроскоп" для обозначения целостного взгляда, который являлся своего рода "фильтром деталей", позволяющим создать простую диаграмму.

Микрокосмос

Одум был пионером в использовании небольших замкнутых и открытых экосистем в учебном процессе, которые часто создавались из аквариумов или бутылок и назывались микрокосмами. Его исследования микрокосмов оказали влияние на проектирование «Биосферы-2».

Экологическая экономика

Экологическая экономика – это активно развивающаяся область, находящаяся на стыке экономики и экологии, с ежегодными конференциями, международными организациями и международным журналом. С 1956 по 1963 год Одум работал директором Морского института Техасского университета. В этот период Одум осознал взаимосвязь между экологическими, энергетическими и экономическими факторами. Поэтому он финансировал исследования, направленные на применение традиционных экономических методов для количественной оценки денежной стоимости экологических ресурсов в рекреационных, оздоровительных и других целях. В рамках этих исследований была рассчитана потенциальная стоимость первичной продукции на единицу площади залива. Для Холла значимость работы Одума заключалась в его интеграции системного подхода, экологии и энергетики с экономикой, а также во взгляде Одума на то, что экономику можно оценивать объективными показателями, такими как энергия, а не субъективной готовностью платить.

Экологическая инженерия

Экологическая инженерия – это развивающаяся область знаний, находящаяся на стыке экологии и инженерии, занимающаяся проектированием, мониторингом и строительством экосистем. Термин «экологическая инженерия» был впервые предложен Одумом в 1962 году, до работы в Университете Флориды. По его словам, экологическая инженерия – это «случаи, когда энергия, поставляемая человеком, мала по сравнению с природными источниками, но достаточна для оказания значительного влияния на формирующиеся структуры и процессы». Как практическая область, экологическая инженерия была развита его бывшим аспирантом Биллом Митчем, который основал и продолжает редактировать ведущий журнал в этой области, а также способствовал созданию международных и американских обществ, посвященных экологической инженерии, и написал два учебника по данной дисциплине. Одной из последних работ Одума стала оценка экологической инженерии, опубликованная в журнале Ecological Engineering в 2003 году, спустя год после его смерти.

Общая теория систем

В 1991 году Одум был избран 30-м президентом Международного общества системных наук, ранее известного как Международное общество исследований общих систем. Он представил множество докладов по общей теории систем на ежегодных конференциях и отредактировал последний изданный Ежегодник общих систем. Второе, переработанное издание его главного труда было переименовано в «Экологические и общие системы: Введение в экологию систем» (1994). Некоторые из его энергетических моделей и симуляций включали компоненты общей теории систем. Одума описывали как «технократического оптимиста», и на его подход оказал значительное влияние его отец, который также был сторонником рассмотрения социального мира с точки зрения различных физических наук. Одум (1989) полагал, что в земных процессах люди играют центральную роль, утверждая, что «человек – это программирующий и прагматичный информационный процессор биосферы, обеспечивающий максимальную эффективность».

Публикации

Одум написал около 15 книг и 300 статей, а в честь его работы был опубликован сборник статей (Festschrift) "Maximum Power: The Ideas and Applications of H. T. Odum" (1995). Журнал Ecological Engineering также отметил Одума за его вклад в экологическую инженерию и общую экологию в связи с его 70-летием. В публикацию вошли более 25 писем от выдающихся ученых со всего мира, включая письма от Митча (главная редакционная статья), Джона Аллена, Роберта Улановича, Роберта Бейерса, Ариэля Луго, Марты Гиллиланд, Сандры Браун, Рамона Маргалефа, Пола Риссера, Юджина Одума, Кэти Ивел, Кеннета Уотта, Пэта Кангаса, Свена Йоргенсена, Боба Найта, Русонга Ванга, Джона Тила, Фрэнка Голли, ЭннМари и Бенгта Оуэ Янссона, Джоан Браудер, Карла Фольке, Ричарда Вейгерта, Скотта Никсона, Джина Тернера, Джона Тодда и Джеймса Зучетто.

Статьи (выбор)

1998, Оценка эмергии, доклад, представленный на Международном семинаре по достижениям в области энергетических исследований: энергетические потоки в экологии и экономике, Порто-Венере, Италия, 27 мая. 1997, Оценка эмергии и трансформированность, в Kreith изд. Справочник по машиностроению CRC. 1992, Экологический генералист, в Acta Cientifica. 1991, "Эмергия и биогеохимические циклы", в Rossi & Tiezzi изд. Физическая химия. 1989, Эмергия и эволюция, на 33-й ежегодной встрече Международного общества системных наук, Великобритания. 1989, Комментарии и благодарность студентам и коллегам, раздаточный материал по случаю празднования в Чапел-Хилл, штат Северная Каролина, в: "Прогресс в понимании экологических систем", 31 августа – 2 сентября. 1984, "Воплощенная энергия и благосостояние наций", под ред. Jansson, "Интеграция экономики и экологии". 1977, Экосистема, энергия и человеческие ценности, в: Zygon, том 12, выпуск 2, страницы 109–133. 1975, Качество энергии и несущая способность Земли, ответ на церемонии награждения Института La Vie, Париж. 1973, Энергетика, экология и экономика, Шведская королевская академия наук, в: AMBIO, 2 (6), 220–227. 1963, с W. L. Slier, R. J. Beyers & N. Armstrong, Эксперименты по проектированию морских экосистем, в: Publ. Инст. Морской науки, Ун-т Техаса, 9:374–403. 1963, Пределы удаленных экосистем, содержащих человека, в: The American Biology Teacher, 25 (6): 429–443. 1960a, Экологический потенциал и аналоговые схемы для экосистемы, в: Amer. Sci., 48:1, 8. 1960b, Десять практических занятий по экологии, в: The American Biology Teacher, 22 (2): 71–78. 1958, с C. M. Hoskin, Сравнительные исследования метаболизма техасских заливов, в: Publ. Инст. Морской науки, Ун-т Техаса, 5:16–46. 1955, с E. P. Odum, Трофическая структура и продуктивность сообщества кораллового рифа на атолле Эниветок, в: Ecological Monographs, 35, 291–320. 1950, Биогеохимия стронция: с обсуждением экологической интеграции элементов, диссертация, представленная на факультет Высшей школы Йельского университета для получения степени доктора философии.