<<
>>

Сложные биогенные системы как объект изучения экологических наук. Свойства и законы функционирования сложных систем

В основе экологии лежит концепция экосистемы. Экосистема - основная функциональная единица в экологии. Существует много разных определений этого понятия, но в основе его лежит, по сути, одно и то же содержание.

Согласно представлениям Ю. Одума, живые организмы и их неживое окружение, неразделимо связанные друг с другом, постоянно взаимодействующие и совместно функционирующие на данном участке таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот веществ между живой и неживой частями, представляют собой экологическую систему - экосистему.

Экосистема - сообщество живых организмов и среда их обитания, которые функционируют совместно, т. е. обмен вещества и энергии происходит в них во взаимной связи.

Системой можно назвать совокупность элементов, определенным образом связанных и взаимодействующих между собой, т. е. любой объект, реальный или мыслимый, целостные свойства которого могут быть представлены как результат взаимодействия образующих его частей, можно считать системой.

Части системы называют элементами системы. Элементы связаны между собой. Связи и отношения между элементами системы называются системообразующими, так как они превращают набор элементов в целостную систему. Кроме того, что эти элементы связаны между собой, они испытывают воздействие со стороны внешних относительно системы объектов, а также сами могут оказывать на них влияние. Это значит, что каждая система не только испытывает воздействие множества внешних по отношению к ней систем, но и сама оказывает на них воздействие. Множество связей элементов системы между собой, а также элементов системы с внешней средой называется структурой системы. С течением времени внешняя среда, состав и структура могут измениться.

Системный подход к изучению экосистем заключается в определении образующих ее составных частей и взаимодействия с ними объектов окружающей среды, в установлении структуры экосистемы и нахождении функции, определяющей характер изменения компонентов экосистемы и связей между ними под действием внешних объектов.

В современной экологии для анализа экосистем используют три группы методов исследований: полевые наблюдения; эксперименты в поле и лаборатории; моделирование.

Структуру системы определяет способ взаимодействия элементов, и, что очень важно, это взаимодействие приводит к возникновению новых свойств системы, ее новых целостных характеристик.

Одно из свойств системы - иерархическая соподчиненность элементов. Так, элементарной единицей в экологии считают особь популяции, совокупность особей образует элементарную подсистему - популяцию, а совокупность популяций, выполняющих сходную функциональную роль в экосистеме, образует следующую подсистему - ассоциацию, или сообщество. В соответствии с этими элементами различают экологию популяций, экологию сообществ, экологию биоценозов. Отсюда следует, что для понимания целостных свойств экосистем важно изучение связей между образующими ее элементами, определяющих функционирование экосистемы как единого целого. Таким образом, главным критерием принадлежности к современной экологии является исследование надорганизмен- ного уровня, имеющее целью найти место исследуемого явления в экосистеме. Необходимо подчеркнуть, что именно экосистема, а не сообщество, является объектом экологии.

Процессы, протекающие в экосистемах, являются общими для весьма различных организмов - от бактерий до млекопитающих. Внешне разнородные признаки и свойства сообществ, присущие экосистемам разных типов, можно объединить в весьма однородные функции и связи между элементами. Все особи сообщества, будучи связаны с окружающей средой функциональной связью, извлекают из нее материальные вещества и обогащают среду продуктами жизнедеятельности.

Структуру экосистемы можно описать, используя различные критерии. Самым простым критерием, с помощью которого можно выделить две главных компоненты экосистемы, является критерий жизни, т. е. в экосистеме следует видеть две компоненты: живую (биотическую) и неживую (абиотическую). Эти понятия сопоставимы с представлениями о биоценозе как живой части экосистемы и биотопе как неживой.

Обе компоненты тесно связаны и взаимодействуют друг с другом. Абиотические компоненты лимитируют и регулируют жизнедеятельность и само существование живых организмов. Они находятся как вне, так и внутри живых организмов и образуют постоянный поток между биотической и абиотической компонентами.

Пространственные масштабы биоценоза отражает понятие о биотопе, с которым связано функционирование биоценоза. Как уже было сказано, совокупность биоценоза и биотопа называют биогеоценозом. Биотоп представляет собой определенное трехмерное пространство в экосистеме, т. е. имеет как горизонтальную, так и вертикальную структуру. В биогеографии выделяют крупномасштабные пространственные структуры, характерные для обширных климатических зон, называемых биомами.

Вертикальную структуру биоценоза называют ярусами. Выделяют два трофических яруса: верхний - автотрофный и нижний - гетеротрофный. Автотрофный ярус, или «зеленый пояс», включает растения, которые фиксируют энергию света, используют простые неорганические соединения и накапливают сложные органические соединения. В гетеротрофном ярусе, или «коричневом поясе» почв или осадков, разлагающихся веществ, корней, происходит использование сложных органических соединений. В конечном итоге органические вещества, синтезированные авто- трофами, возвращаются в среду в виде неорганических и вновь вовлекаются в круговорот. В результате этих процессов образуется постоянный поток биогенных элементов и органических соединений между ними.

Согласно общей теории систем, экосистема обладает общими свойствами, характерными для сложных систем. К таким свойствам относятся: эмерджентность, принцип необходимого разнообразия элементов, устойчивость, принцип неравновесности, вид обмена веществ или энергии, эволюция.

Эмерджентность (от англ. emergence - появление, возникновение) системы - степень не сводимости свойств системы к свойствам составляющих ее элементов. Свойства системы зависят не только от составляющих ее элементов, но и от особенностей взаимодействия между ними (например, явление синергизма, когда при взаимодействии некоторых токсичных соединений получаются еще более ядовитые вещества).

Принцип необходимого разнообразия элементов сводится к тому, что любая система не может состоять из абсолютно одинаковых элементов, более того, разнообразие элементов, ее составляющих, является необходимым условием функционирования. Нижний предел разнообразия равен двум, верхний - стремится к бесконечности. Разнообразие и наличие разных фазовых состояний веществ, составляющих экосистему, определяют ее гетерогенность.

Устойчивость динамической системы и ее способность к самосохранению зависит от преобладания внутренних взаимодействий над внешними. Если внешнее воздействие на биологическую систему превосходит энергетику ее внутренних взаимодействий, то это может вызвать необратимые изменения или гибель системы. Устойчивое или стационарное состояние динамической системы поддерживается непрерывно выполняемой внешней работой, для чего необходимы приток энергии, ее преобразование в системе и отток за пределы системы.

Принцип неравновесности сводится к тому, что системы, функционирующие с участием живых организмов, являются открытыми, поэтому для них характерно поступление и отток энергии и вещества, что невозможно осуществить в условиях равновесного состояния.

Следовательно, любая экосистема представляет собой открытую, динамическую, неравновесную систему. Главенствующая роль в природных процессах принадлежит не порядку, стабильности и равновесию, а неустойчивости и неравновесности, то есть все системы флуктуируют. В точке бифуркации система не выдерживает и разрушается, и в этот момент времени невозможно предсказать, в каком состоянии она будет находиться: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень неупорядоченности.

Для стабильного и длительного функционирования экосистемы особенно важное значение имеют обратные связи, обеспечивающие ее авторегуляцию и саморазвитие. Поэтому независимо от вида системы ее функционирование возможно только при наличии прямых (взаимная стимуляция роста и развития организмов) или обратных (например, угнетение развития популяции в результате давления хищника) связей.

В саморегулирующихся системах, к которым относятся и экосистемы, важная роль принадлежит отрицательным обратным связям. На принципе отрицательной обратной связи базируются все механизмы физиологических функций в любом организме и поддержание постоянства внутренней среды и внутренних взаимосвязей любой саморегулирующейся системы. 

<< | >>
Источник: В.М. Малахов, А.Г. Гриценко, С.В. Дружинин. ИНЖЕНЕРНАЯ ЭКОЛОГИЯ МОНОГРАФИЯ В трех томах Том 1. 2012

Еще по теме Сложные биогенные системы как объект изучения экологических наук. Свойства и законы функционирования сложных систем:

  1. Идеологический груз прошлого.
  2. Многоаспектность эволюции:метастабильность, случайность, закономерность
  3. Биосфера как космопланетарная геосистема Земли
  4. Приложение № 1. Краткий словарь некоторых вспомогательных терминов
  5. Сложные биогенные системы как объект изучения экологических наук. Свойства и законы функционирования сложных систем
  6. 2.3. Личностный подход как методологический принцип проектирования этнокультурной системы образования