Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Экология arrow Экологические знания

Природные системы

Природное вещество во всех ее многочисленных проявлениях с огромным количеством взаимосвязанных процессов должна рассматриваться как суперсложная система составляющих, объединенных влиятельными связями.

Системный подход как методологическая основа изучения особенностей объектов широко используется в различных науках. В биологии часто пользуются популяционной подходом.

Популяционный подход характеризуется тем, что объектом исследования является популяция, то есть любая способна к самовоспроизведению совокупность особей одного вида, более или менее изолированная в пространстве, времени и генетически отделена от других аналогичных совокупностей того же вида. Представители биосферы других видов, проживающих на территории распространения данной популяции, относятся к "окружающей среды".

Понятие "экосистема" не общепризнанного толкования. Есть определение, что это совокупность различных организмов, которые живут вместе, а также физических и химических компонентов среды, необходимых для их существования или которые являются продуктами их жизнедеятельности. В системе происходит полный обмен веществом, энергией и информацией. Или: экосистема - пространственно-определенная совокупность живых организмов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическими и информационными взаимодействиями. Впервые понятие "экосистема" использовал А. Тесле в 1935 году.

Близким по смыслу к экосистеме введенное В.М. Сукачевым и В.В. Станчинский понятие "биогеоценоз".

Вообще под системой понимается совокупность взаимосвязанных и взаимозависимых составляющих, объединенных в пространстве и времени для существования или выполнение какого назначения. Всякая система является составной (подсистемой) следующей по размерам системы - и так до бесконечного Вселенной. Минимальная составляющая системы - элемент - доля, которая не может больше делиться без потери свойств.

Системный подход используется в различных отраслях, в отличие от популяционного, который распространился только в биологии.

В связи с тем, что экология изучает не только биологические объекты, целесообразно ее методологию строить на системном подходе - более универсальный по сравнению с популяционной.

Экологической естественной системой (экосистемой) будем считать относительно постоянную в пространстве и времени совокупность природных материальных составляющих, объединенных процессами вещественного энергетического и информационного обмена. Биосфера - это самая экосистема Земли.

В зависимости от размеров экосистемы могут быть разными - от планетарной гиперсистемы к локальной в пределах небольшого острова, пруда или дерева. Поскольку все экосистемы относятся к системам открытого типа, то каждая экосистема должна рассматриваться как составляющая системы более высокого порядка (следующего за ранжированием уровня), то есть подсистемой.

Взаимодействия подсистемы с системой характеризуются внешними связями (для системы они будут внутренними). При этом внутренние связи внутри подсистемы при анализе системы не рассматриваются, она представляется как "черный ящик", строение которого нас не интересует. "Черный ящик" характеризуется определенной реакцией (откликом) на внешнее воздействие.

Указанное свойство сложной системы позволяет выполнять экспериментальные и теоретические исследования на удобном для исследователя уровне системы, идя постепенно или от сложного к более простому, или наоборот. Обязательное условие этого процесса - учет всех влиятельных связей.

Связи в экосистеме отражают влияние одной составляющей системы на другую. Это влияние среды на биологический объект принято оценивать экологическими факторами. Под экологическим фактором понимается отдельное свойство или элементы среды, которые воздействуют на организм, или движущая сила процесса или влияние условия на процесс. Природные экологические факторы в литературе разделяются на биотические и абиотические в зависимости от источника воздействия. Биотические факторы - это форма воздействия живых существ друг на друга (симбиоз, паразитизм, нейтрализм, хищничество, фитонцидный влияние, забота и т.д.). Влияние человека как биологической особи тоже учитывается как фактор среды. Абиотические факторы - не характеристики и показатели природной среды: рельеф местности, гидрохимические свойства воды, показатели атмосферного воздуха, особенности фунту и тому подобное. Р.Ф. Реймерс приводит классификацию факторов по 37 признакам.

В зависимости от особенностей действия фактора связи в природной экосистеме могут быть постоянными (непрерывными) и непостоянными (временными, периодическими, случайными), стационарными (неизменными по величине) и динамическими, которые, в свою очередь, могут быть гармоничными или хаотичными.

В зависимости от природы фактора связи могут быть энергетическими, вещественными и информационными. Действие фактора не остается без ответа объекта излияния. Как видно на рис. 2.1, воздействие на абиотический объект вызывает с его стороны равное по величине противодействие в виде отрицательной обратной связи. Биотический объект реагирует на действие значительно сложнее - в виде противодействия и приспособления (положительной обратной связи). В зависимости от продолжительности действия приспособления организма проявляется как регулирование (часто называют саморегулированием) или адаптация. В зависимости от особенностей механизма регулирования возможны два уровня - простая регулировка и сложное регулирование. Механизм простого регулирования вызывает реакцию организма, которая обеспечивает его нормальную жизнедеятельность в изменившихся условиях окружающей среды без изменений конструкции организма. Например, при повышении температуры воздуха организм поддерживает неизменным свой тепловое состояние за счет увеличения испарения. Растение обеспечивает необходимый прирост массы при снижении интенсивности освещения за счет увеличения КПД фотосинтеза. Сложное регулирование позволяет за счет кратковременного изменения в организме обеспечить жизнедеятельность при более широком колебании внешнего фактора. Например, у собак теплоотвод в жару улучшается за счет увеличения поверхности испарения через язык который высовывается из паши. Для того, чтобы сохранить организм от замерзания, животные уменьшают поверхность тела на 25-30%, приобретая позы "клубочком".

Адаптация - это долговременное приспособление, которое возникает и изменяется в течение эволюции вида. В отличие от регулирования, адаптация носит необратимый характер. Изменения в организме происходят медленно и становятся сталохарактернимы. По отношению к человеку ВОЗ дает такое определение: "действительное приспособление организма к меняющимся условиям окружающей среды, которое происходит без какого-либо нарушения данной биологической системы и превышение нормальных возможностей ее реагирования, то есть тогда, когда после определенного периода действия реакция на токсичные вещества полностью и навсегда пропадает.

Обратная отрицательная связь живого существа проявляется в способности преодолевать вредное внешнее воздействие, уменьшая риск своего разрушения, компенсировать негативное влияние на жизнеспособность путем саморегуляции.

Положительная обратная связь проявляется в способности живого существа эволюционировать, адаптироваться (приспосабливаться к новым условиям существования).

На практике живая природа будто отыскивает оптимальную систему приоритетов, а естественный отбор "фильтрует", отбирая тех, кто лучше учел конкретную ситуацию.

Конкуренция в биосфере происходит на всех уровнях - на групповом, популяционном, межпопуляционных, видовом, межвидовом. Она является регулирующим фактором хранения биологического разнообразия, поскольку сдерживает увеличение вида (популяции *) сверх естественного предела.

В идеальных условиях, то есть при достаточности подпиточной веществ и отсутствия конкуренции, численность особей популяции Ч растет по экспоненциальному закону:

где М 0 - количество человек на начало периода, а - коэффициент (постоянная) экспоненты, и - время периода.

Расчеты показывают, что в идеальных условиях один вид может заселить планету за очень короткий срок, например, бактерии, которые делятся через 20 минут, - за 36 часов, насекомые - за год, крысы - за 8 лет, рыбы - 12 лет.

Этого не происходит благодаря конкуренции и емкости среды. Последняя определяется максимальным количеством организмов, которые могут существовать в условиях ограниченности ресурсов (пищи, света, места и т.д.). Реально это ограничивает период экспоненциального роста численности, после которого чаще наступает период стабилизации и асимптотического приближения к горизонтали. Такая закономерность называется логистической (или s-образной) - популяция характеризуется устойчивой равновесием, а емкость среды называется ривнозважною численности (рис. 2.2).

Логистическое уравнение в дифференциальной форме имеет вид:

где а - постоянная экспоненты в начальный период увеличения численности, К - емкость среды.

Сложная система взаимодействий в биосфере приводит к более или менее стабильного соотношения между видами. Одной из иллюстраций этого зависимость между количеством лиц млекопитающих М и массой особей М (рис. 2.3).

Популяции в природе состоят из отдельных субпопуляций, которые отличаются генетически. Наследственное многообразие сохраняется благодаря тому, что отдельные субпопуляции поддерживают друг друга, обмениваясь генами. Чем выше генное разнообразие, тем больше "запасом прочности" популяция обладает. Человечество на протяжении многих тысячелетий было таким, что отдельные субпопуляции вследствие территориального положения мало взаимодействовали. В наше время ситуация иная. И специалисты не берутся предсказать генетические последствия новых демографических процессов.

Изменение количества особей популяции со временем

Рис. 2.2. Изменение количества особей популяции со временем:

1 - экспоненциальное закон; 2 - логистический закон

На рис. 2.4 представлено природный фрагмент "поляна леса на берегу реки", на примере которого рассмотрим особенности системного анализа.

Первый вопрос: как провести границы системы, в нее включить? В отличие от искусственных систем, которые будут рассмотрены в главе 3, для природных систем это вопрос не принципиальный, поскольку ее составляющие не имеют одной четко определенной функции. Все они многофункциональные, нужны друг другу, взаимное влияние. И если какая-то из них не попадет в пределы системы, это вовсе не означает, что ее влияние не должен учитываться. Он будет учтен в виде внешней связи системы. Это касается прежде всего Солнца, энергия которого действует на все природные составляющие, но не может быть включена в любую самую естественную систему. Для всех природных систем влияние Солнца должен учитываться в виде внешнего. Для системы на рис. 2.4 это относится к облаку А 2, леса Б 1, реки Г 1, которые включены в систему частично. Влияние этих составляющих должен учитываться двумя путями - частично в виде внутренних связей и частично - внешними связями. Например, для реки влияние показателей воды у берега на растительность и рыбу будут учтены внутренними связями, а зависимость этих показателей от гидрологических, гидрохимических и гидробиологических свойств всей реки - внешними связями в виде соответствующих ее характеристик.

Зависимость количества особей от массы

Второй вопрос: как лучше выполнить распределение (декомпозиции) системы на составляющие для последующего анализа? Ответ зависит от цели анализа - какие составляющие и какие связи нас больше интересуют. Поэтому противнем-позиция системы может быть выполнена различными путями и представлена различными структурно-иерархической схемам. На рис. 2.5 показаны две возможные противнем позиции природной экосистемы рис. 2.4.

Естественная экосистема

В обоих случаях схемы имеют три уровня - уровень системы, уровень подсистем и уровень элементов, которые приняты как организмы - самые маленькие образования, которыми занимается экология.

Схемы природной экосистемы

Рассмотрена система, в свою очередь, является подсистемой более крупной системы - четырехуровневой. Чем больше по размерам экосистема, тем больше в ней составляющих и уровней, тем более разветвленная ее структурно-иерархическая схема. Поэтому в очень сложных системах декомпозиции, как правило, не доводят до уровня элементов, а останавливаются на уровне составляющих, которые рассматриваются как "черные ящики".

В зависимости от сложности и размеров природные экосистемы делятся на три группы: локальные, региональные и глобальные. Четко проведения границу минимальной локальной системы и максимальной глобальной. Минимальной локальной естественной системой является отдельный органом и его ближайшую среду. Максимальной глобальной природной экосистемой с биосфера Земли. Границы между группой локальных и группой региональных, так же как между группой региональных и группой глобальных природных экосистем, нечеткие.

Контрольные вопросы и задания

1. Что такое естественная экологическая система?

2. Чем отличается системный подход от популяционного?

3. Перечислите семь признаков естественной экологической системы.

4. Объясните разницу между внешним и внутренним связью системы.

5. Что такое "черный ящик" в экологической системе?

6. Как определить границы естественной экосистемы?

7. Действие которой природной составляющей не может быть представлена в виде внутренней связи?

8. На базе рис. 2.4 показать несколько естественных экологических систем меньшего размера.

9. Представить структурно-иерархические схемы систем, разработанных по заданию 8.

10. Проанализировать рис. 2.4 для определения границ природных экосистем трех групп.

11. В чем разница реагирования на действие биотического и абиотической объекта?

12.3 каких условиях популяция может размножаться по экспоненциальному закону?

 
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Предметы
Агропромышленность
Банковское дело
БЖД
Бухучет и аудит
География
Документоведение
Естествознание
Журналистика
Инвестирование
Информатика
История
Культурология
Литература
Логика
Логистика
Маркетинг
Математика, химия, физика
Медицина
Менеджмент
Недвижимость
Педагогика
Политология
Политэкономия
Право
Психология
Региональная экономика
Религиоведение
Риторика
Социология
Статистика
Страховое дело
Техника
Товароведение
Туризм
Философия
Финансы
Экология
Экономика
Этика и эстетика
Прочее