| Головна |
| « Попередня | Наступна » | |
ЕКОСИСТЕМИ І ПРИНЦИПИ ЇХ ФУНКЦІОНУВАННЯ |
||
|
У сучасній науці домінує системна парадигма. Виходячи з цього, основним об'єктом вивчення екології є екологічні системи. Під системою розуміється сукупність елементів, що знаходяться у відносинах і зв'язках один з одним, утворюють певну цілісність, тобто структурно-функціональна єдність. Система з одного боку розглядається як єдине ціле, з іншого - як сукупність елементів. Причому ціле має нові, особливі властивості, які відсутні у його складових елементів (наприклад, популяція володіє іншими властивостями, ніж складові її індивідууми). Це закон емерджентності (несподівана поява, англ.) Відомий з давнини, як "ціле більше суми його частин". Очевидно, що ніяка система не може сформуватися з абсолютно ідентичних елементів. Навіть в кристалічній решітці алмазу положення атомів вуглецю робить їх функціонально різними. Це закон необхідної різноманітності. Нижня межа - не менше двох елементів, а верхній - нескінченність. В екологічних системах всі елементи взаємопов'язані переносами (потоками) речовини, енергії та інформації і називаються динамічними. Основними характеристиками будь-якої системи будуть: а) межі, б) властивості елементів і системи в цілому, в) структура, г) характер зв'язків і взаємодії між елементами системи, а також між системою та її зовнішнім середовищем. Кордони - найбільш складні характеристики системи, витікаючі з її цілісності, визначувані тим, що внутрішні зв'язки і взаємодії набагато сильніше зовнішніх. Остання обставина визначає стійкість системи до зовнішніх впливів. Властивості елементів і системи в цілому характеризуються ознаками. Кількісні ознаки називають показниками. Структура системи визначається співвідношенням в просторі і в часі становлять її елементів та їх зв'язків. Просторовий аспект структури характеризує порядок розташування елементів у системі, а часовий відображає зміну станів системи в часі (показує розвиток). Структура є виразом ієрархічності і організованості системи. Характер зв'язків і взаємодії між елементами і із зовнішнім середовищем являє собою різні форми речового, енергетичного та інформаційного обміну. При наявності зв'язків системи із зовнішнім середовищем межі є відкритими, в іншому випадку - закритими. Екологічна система являє собою будь-яку сукупність живих організмів і сpедой їх проживання, взаємопов'язаних обміном речовин, енергії, та інформації, яку можна обмежити в пpостpанстве і в часі по значущим для конкретного дослідження принципами. Образне визначення екосистеми дав письменник-фантаст І.Г. Єфремов: «Екосистема - це будь природне утворення від купини до оболонки». Близьким за змістом до екосистемі є термін «біогеоценоз», запропонований російським вченим В.М. Сукачовим в 1942р. Поняття біогеоценоз зазвичай застосовують тільки до наземних природним системам, де обов'язково в якості основної ланки присутні рослини - фітоценоз. Крім того, він завжди пов'язаний з певним простором земної поверхні. Таким чином, будь біогеоценоз є екосістемаой, але не будь-яка екосистема биогеоценозом. Вивчення пpиpодно екосистем проводиться в структурному і функціональному аспектах. У структурному відношенні досліджується видовий склад екосистеми: з'ясовується перелік видів мікpооpганізмов, рослин і тварин, що населяють екосистему, їх кількісне співвідношення. Інформація, в екологічних системах може розумітися як енергетично слабкий сигнал, керуючий системою. Наприклад, він може сприйматися її організмами у формі закодованого повідомлення про можливість багаторазово більш могутніх впливів з боку інших організмів, або чинників середовища, що викликають їх відповідну реакцію. Так, слабкі і абсолютно нечутливі для людини підземні поштовхи - передвісники більш потужного руйнівного землетрусу, сприймаються багатьма тваринами, своєчасно покидающими свої нірки. Таким чином, інформаційна мережа екосистеми складається з потоків сигналів физико-хімічної природи і визначає її кібернетичні можливості (кібернетика - мистецтво управління, гр.). Управління в екосистемах грунтується на зворотному зв'язку, зображуваної зворотною петлею, по якій частина сигналів з виходу системи поступає назад на її вхід (рис.3.2). При цьому їх вплив на управління системою може різко посилиться. У природі часто низькоенергетичні сигнали викликають високоенергетичні реакції.
Рис. 3.2. Механізм зворотного зв'язку
В екосистемах формуються найскладніші ланцюги і мережі причинно-наслідкових зв'язків, засновані на механізмі зворотного зв'язку, які часто утворюють замкнуті кільця, іменовані контуром зворотного зв'язку. Найпростішим прикладом такого контура служить модель "хижак-жертва" (вовки - північні олені). Зобразимо графічно динаміку їх численностей (N) залежно від часу (t) (рис.3.3). На відрізку часу А збільшення чисельності оленів (NО) унаслідок сприятливих умов, перш за все кормових, приведе до збільшення чисельності вовків (NВ). Внаслідок цього поголів'я оленів стане менше (відрізок В), що веде до зменшення популяції хижака (відрізок З).
Рис.3.3. Графік динаміки численностей оленів, вовків і сов.
Завдяки цьому підтримується гомеостаз екосистеми. Гомеостазом називається здатність організмів або екосистеми підтримувати стійку динамічну рівновагу в змінних умовах середовища. Будь екологічна система є системою відкритої, оскільки вона завжди взаємодіє із зовнішнім середовищем: сонячною радіацією, влагообоpотом на поверхні і в грунтово-грунтах, вітровим пpівносом і виносом матеріалу. Отже, будь-які пpостpанственной обмеження екосистеми завжди умовні. Припустимо, нам треба вивчити бджолину сім'ю. Її можна вивчати як таку, обмежуючись об'ємом вулика, обладнавши його необхідними датчиками і пpозpачнимі стінками. Кордон досліджень визначатиметься стінками вулика. Однак, при необхідності оцінки джерел живлення бджолиної сім'ї, дослідження визначатимуться дальністю польоту бджоли, а самі вони включать в себе також геоботанічний спектр теppитоpии, охопленої бджолами цієї сім'ї. Отже, межі екосистеми в загальному випадку визначаються цілями її дослідження. Поняття екологічної системи іеpаpхічно. Це означає, що всяка екологічна система певного рівня включає в себе ряд екосистем попереднього рівня, менших за площею і сама вона, в свою чергу, є складовою частиною більш великої екосистеми. Hапpимеp, правомірно pассматpивать в якості екосистеми аласнимі западину, обмежену схилами аласнимі височини (рис.3.4). У свою чергу, ця система зазвичай включає в себе залишкове озеро, болотні та лучні рослинні співтовариства з усіма населяють його живими істотами. В якості елементарної екосистеми можна уявити собі купину або мочажінних на болоті, а більш загальної екосистемою, що охоплює безліч аласов і аласнимі пpостpанство, з'явитися відповідна заліснених поверхню теppаса. Т.ч. в природі існує ряд супідрядних екосистем: * Елементарні (мікроекосистеми): наприклад, стовбур гниючого дерева, невелика водойма, труп тварини з населяють його мікроорганізмами, акваріум, калюжа або навіть крапля води, якщо в ній є живі організми; * Локальні (мезоекосістеми) - ліс, ставок, озеро, річка, водозбір або його частину; * Зональні (макроекосистеми) - океан, континент, природна зона; * Глобальні - біосфера Землі.
Рис.3.4. Алас (фото А.П.Ісаева)
Залежно від походження екосистеми поділяються на: * природні (природні), в яких всі процеси протікають без участі людини; * штучні (нообиогеоценоза, соціоекосистеми), створені за участю людини. Кількість підсистем та їх якісна відмінність не можуть бути строго фіксовані, але визначаються фізико-географічними та іншими умовами жізнеобітанія. Або, виходячи з правила повноти складових: число функціональних складових екосистеми і зв'язків між ними в умовах квазістаціонарного її стану - завжди оптимально. Порушення цього правила, викликане внутрішнім саморозвитком системи, або зовнішнім на неї впливом, виводить систему зі стану рівноваги і стимулює її перехід в іншу якість. Багато динамічні системи прагнуть до надмірності системних елементів при мінімумі числа варіантів організації. У процесі розвитку надмірність може бути замінена підвищенням якості і надійності, складових систему елементів, при цьому може відбуватися їх агрегація в підсистему (принцип кооперативності). Фундаментом виникнення кооперативного ефекту є значний речовинно-енергетичний і інформаційний виграш. Згідно правила конструктивної стійкості, надійна система може бути складена з ненадійних елементів або підсистем, не здатних до самостійного існування. По відношенню до екосистемам це правило може бути уточнено таким чином: стійка екологічна система може складатися з менш стійких компонентів або підсистем; або - стійкість екологічної системи, як єдиного цілого завжди вище стійкості кожного окремого її компонента або підсистеми. Класичним прикладом тому можуть служити лишайники, коралові рифи, співтовариства "соціально організованих" комах. Підсумком перерахованих закономірностей систем є закон оптимальності, який свідчить, що будь-яка система функціонує з найбільшою ефективністю в деяких характерних для неї просторово-часових межах. Розмір системи повинен відповідати виконуваним нею функціям, в іншому випадку вона буде неефективною або неконкурентоспроможною. З іншого боку, ускладнення системи за межі (системної) достатності зрештою веде до її саморуйнування або загибелі. У саморозвивається динамічній системі завжди присутні два типи підсистем: перша зберігає і закріплює її будову та функціональні особливості, а друга орієнтована на її зміну. Завдяки цьому система має можливість самозбереження і розвитку в умовах оновлюється середовища існування. Також спостерігається тенденція всього сущого до ускладнення організації шляхом наростаючої диференціації функцій і підсистем (органів).
Рис.3.5. Спіраль розвитку Р.Ф. Абдєєва
Очевидно, що в житті екологічних систем діють загальні закони збереження і термодинаміки важливі з погляду вивчення потоків речовини і енергії. Маса і енергія підкоряються закону збереження, тобто вони не можуть зникати і з'являтися з нічого. Закон збереження маси в додатку до екосистемам звучить наступним чином: баланс речовини в системі кількісно визначається різницею мас надійшов і вийшов речовини за певний проміжок часу. Перший початок термодинаміки говорить, що енергія не створюється ні з чого і не зникає в нікуди, а тільки переходить з однієї форми в іншу. Енергія має безліч різноманітних втілень, серед них енергія руху, теплота, енергія гравітації, електрична енергія, хімічна енергія та інші. Незалежно від форми, енергія означає здатність здійснювати роботу. Другий початок термодинаміки вказує, в якому напрямку протікають природні мимовільні процеси. Другий початок термодинаміки часто формулюється через поняття ентропії (міра безладдя): процеси в ізольованій системі супроводжуються зростанням ентропії. У відкритих системах, до яких відносяться і екологічні, можуть йти процеси як із зростанням, так і зменшенням ентропії. При цьому в екосистемі речовина розподіляється таким чином, що в одних місцях ентропія зростає, а в інших різко знижується. В цілому ж, система не втрачає своєї організованості або високої впорядкованості. Це є умовою стійкості екосистеми. Велике значення в розвитку екологічних систем має закон максимізації енергії та інформації: система завжди прагнути до максимального освоєння надходить до неї енергії та інформації, що визначає її стійкість і конкурентоспроможність. Логічним розвитком закону максимізації енергії та інформації є закон мінімуму дисипації енергії Л. Онсагера або принцип економії енергії: при ймовірності розвитку процесу в деякій множині напрямків реалізується те, що забезпечує мінімум дисипації енергії (тобто мінімальні витрати енергії). Як приклади мінімальної витрати енергії природних процесів можна навести такі далекі один від одного природні утворення, як бджолині стільники і полігональні форми рельєфу, що представляють собою ті ж шестигранники, але утворюються в результаті процесів промерзання - протаивания мерзлотних грунтів у тундрі. З цими законами органічно пов'язаний принцип Ле Шательє-Брауна: при зовнішньому впливі, що виводить систему зі стійкого рівноважного стану, рівновага зміщується в тому напрямку, в якому ефект зовнішнього впливу послаблюється. Звідси випливає принцип гальмуючого розвитку, суть якого зводиться до того, що в період найбільш інтенсивного розвитку системи виникають також і максимально діючі гальмують ефекти. Наприклад, різке звуження річкової долини в період паводку стає причиною підйому води вище цього судженого створу. Він же, в свою чергу, виявляється стримуючим фактором розливу річок і затоплення селищ і полів в розташованій нижче цього створу передгірній рівнині. Подібні природні "гальмують ефекти" широко використовуються в практиці запобігання деяких стихійних катастроф. Зокрема - для запобігання загрози селевих потоків у селеопасних долинах річок створюються умови для зниження швидкості грязекаменной потоку. У відкритій в теpмодінаміческом відношенні екосистемі міграція речовини, енергії та інформації відбувається як між елементами самої системи, так і через її кордони. Отже, правомірний принцип енергетичної провідності, який стверджує, що потік енергії, речовини та інформації в екосистемі має бути наскрізним і охоплювати всі її компоненти. Тривалість проходження цього потоку різна в різних екосистемах, наприклад водної та наземно-повітряної. У свою чергу, темпи водообміну також різні в річці, озері, океані, підземної гідросфері. Найважливіше наслідок з цього принципу - закон збереження життя, сформульований Ю.М. Куржаковскім. Він говорить: життя може існувати лише при русі через живе тіло потоку речовин, енергії та інформації. 1.5.2.
|
||
| « Попередня | Наступна » | |
|
|
||
Інформація, релевантна "ЕКОСИСТЕМИ І ПРИНЦИПИ ЇХ ФУНКЦІОНУВАННЯ" |
||
|
||