Основы синэкологии (экологии сообществ и экосистем), Экосистемы и принципы их функционирования - Общая экология
Экосистемы и принципы их функционирования
В современной науке доминирует системная парадигма. Исходя из этого, основным объектом изучения экологии являются экологические системы. Под Системой Понимается совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность, то есть структурно-функциональное единство.
Система с одной стороны рассматривается как единое целое, с другой - как совокупность элементов. Причем целое имеет новые, особые свойства, которые отсутствуют у его составляющих элементов (например, популяция обладает иными свойствами, чем составляющие ее индивидуумы). Это Закон эмерджентности (неожиданное появление, англ.) известный с древности, как "целое больше суммы его частей". Очевидно, что никакая система не может сформироваться из абсолютно идентичных элементов. Даже в кристаллической решетке алмаза положение атомов углерода делает их функционально различными. Это Закон необходимого разнообразия. Нижний предел - не менее двух элементов, а верхний - бесконечность.
В экологических системах все элементы взаимосвязаны переносами (потоками) вещества, энергии и информации и называются Динамическими.
Основными характеристиками любой системы будут:
- А) границы, Б) свойства элементов и системы в целом, В) структура, Г) характер связей и взаимодействия между элементами системы, а также между системой и ее внешней средой.
Границы - наиболее сложные характеристики системы, вытекающие из ее целостности, определяемые тем, что внутренние связи и взаимодействия гораздо сильнее внешних. Последнее обстоятельство определяет устойчивость системы к внешним воздействиям.
Свойства элементов и системы в целом характеризуются признаками. Количественные признаки называют Показателями.
Структура системы определяется соотношением в пространстве и во времени слагающих ее элементов и их связей. Пространственный аспект структуры характеризует порядок расположения элементов в системе, а Временной отражает смену состояний системы во времени (показывает развитие). Структура является выражением иерархичности и организованности системы.
Характер связей и взаимодействия между элементами и с внешней средой представляет собой различные формы вещественного, энергетического и информационного обмена. При наличии связей системы с внешней средой границы являются открытыми, в противном случае - закрытыми.
Экологическая система Представляет собой любую совокупность живых организмов и сpеды их обитания, взаимосвязанных обменом веществ, энергии, и информации, которую можно ограничить в пpостpанстве и во вpемени по значимым для конкретного исследования принципам.
Образное определение экосистемы дал писатель-фантаст И. Г. Ефремов: "Экосистема - это любое природное образование от кочки до оболочки".
Близким по смыслу к экосистеме является термин "Биогеоценоз", предложенный российским ученым В. Н. Сукачевым в 1942г. Понятие биогеоценоз обычно применяют только к наземным природным системам, где обязательно в качестве основного звена присутствуют растения - фитоценоз. Кроме того, он всегда связан с определенным пространством земной поверхности. Таким образом, любой биогеоценоз является экосистемаой, но не любая экосистема биогеоценозом.
Изучение пpиpодных экосистем производится в стpуктуpном и функциональном аспектах. В стpуктуpном отношении исследуется видовой состав экосистемы: выясняется перечень видов микpооpганизмов, растений и животных, населяющих экосистему, их количественное соотношение.
Информация, в экологических системах может пониматься как энергетически слабый сигнал, управляющий системой. Например, он может восприниматься ее организмами в форме закодированного сообщения о возможности многократно более мощных влияний со стороны других организмов, либо факторов среды, вызывающих их ответную реакцию. Так, слабые и совершенно нечувствительные для человека подземные толчки - предвестники более мощного разрушительного землетрясения, воспринимаются многими животными, своевременно покидающими свои норки.
Таким образом, информационная сеть экосистемы состоит из потоков сигналов физико-химической природы и определяет ее кибернетические возможности (кибернетика - искусство управления, гр.). Управление в экосистемах основывается на обратной связи, изображаемой обратной петлей, по которой часть сигналов с выхода системы поступает обратно на ее вход (рис.3.2). При этом их влияние на управление системой может резко усилится. В природе часто низкоэнергетические сигналы вызывают высокоэнергетические реакции.
Рис. 3.2. Механизм обратной связи
В экосистемах формируются сложнейшие цепи и сети причинно-следственных связей, основанные на механизме обратной связи, которые часто образуют замкнутые кольца, именуемые контуром обратной связи.
Простейшим примером такого контура служит модель "хищник-жертва" (волки - северные олени). Изобразим графически динамику их численностей (N) в зависимости от времени (t) (рис.3.3). На отрезке времени А увеличение численности оленей (NО) вследствие благоприятных условий, прежде всего кормовых, приведет к увеличению численности волков (NВ). Вследствие этого поголовье оленей станет меньше (отрезок В), что ведет к уменьшению популяции хищника (отрезок С). Таким образом, численности "хищника" и "жертвы" взаимозависимы и образуют контур обратной связи:
Рис.3.3. График динамики численностей оленей, волков и сов.
Благодаря этому поддерживается гомеостаз экосистемы. Гомеостазом Называется способность организмов или экосистемы поддерживать устойчивое динамическое равновесие в изменяющихся условиях среды.
Любая экологическая система является системой открытой, поскольку она всегда взаимодействует с внешней средой: солнечной радиацией, влагообоpотом на поверхности и в почво-грунтах, ветровым пpивносом и выносом материала. Следовательно, любые пpостpанственные ограничения экосистемы всегда условны.
Допустим, нам надо изучить пчелиную семью. Ее можно изучать как таковую, ограничиваясь объемом улья, оборудовав его необходимыми датчиками и пpозpачными стенками. Граница исследований будет определяться стенками улья. Однако, при необходимости оценки источников питания пчелиной семьи, исследования будут определяться дальностью полета пчелы, а сами они включат в себя также геоботанический спектр теppитоpии, охваченной пчелами этой семьи. Следовательно, границы экосистемы в общем случае определяются целями ее исследования.
Понятие экологической системы Иеpаpхично. Это означает, что всякая экологическая система определенного уровня включает в себя ряд экосистем предыдущего уровня, меньших по площади и сама она, в свою очередь, является составной частью более крупной экосистемы.
Hапpимеp, пpавомеpно pассматpивать в качестве экосистемы аласную впадину, ограниченную склонами аласной возвышенности (рис.3.4). В свою очередь, эта система обычно включает в себя остаточное озеро, болотные и луговые растительные сообщества со всеми населяющими его живыми существами. В качестве элементарной экосистемы можно представить себе кочку или мочажину на болоте, а более общей экосистемой, охватывающей множество аласов и аласное пpостpанство, явиться соответствующая залесенная поверхность теppасы.
Т. о. в природе существует ряд соподчиненных экосистем:
- - Элементарные (микроэкосистемы): например, ствол гниющего дерева, небольшой водоем, труп животного с населяющими его микроорганизмами, аквариум, лужа или даже капля воды, если в ней есть живые организмы; - Локальные (мезоэкосистемы) - лес, пруд, озеро, река, водосбор или его часть; - Зональные (макроэкосистемы) - океан, континент, природная зона; - Глобальные - биосфера Земли.
Рис.3.4. Алас (фото А. П.Исаева)
В зависимости от происхождения экосистемы подразделяются на:
- - естественные (природные), в которых все процессы протекают без участия человека; - искусственные (нообиогеоценозы, социоэкосистемы), созданные при участии человека.
Количество подсистем и их качественное различие не могут быть строго фиксированы, но определяются физико-географическими и иными условиями жизнеобитания. Или, исходя из Правила полноты составляющих: число функциональных составляющих экосистемы и связей между ними в условиях квазистационарного ее состояния - всегда оптимально.
Нарушение этого правила, вызванное внутренним саморазвитием системы, или внешним на нее воздействием, выводит систему из состояния равновесия и стимулирует ее переход в иное качество.
Многие динамические системы стремятся к избыточности системных элементов при минимуме числа вариантов организации. В процессе развития избыточность может быть заменена повышением качества и надежности, составляющих систему элементов, при этом может происходить их агрегация в подсистему (Принцип кооперативности). Фундаментом возникновения кооперативного эффекта является значительный вещественно-энергетический и информационный выигрыш.
Согласно Правила конструктивной устойчивости, надежная система может быть сложена из ненадежных элементов или подсистем, не способных к самостоятельному существованию. По отношению к экосистемам это правило может быть уточнено следующим образом: устойчивая экологическая система может состоять из менее устойчивых компонентов или подсистем; или - устойчивость экологической системы, как единого целого всегда выше устойчивости каждого отдельного ее компонента или подсистемы.
Классическим примером тому могут служить лишайники, коралловые рифы, сообщества "социально организованных" насекомых.
Итогом перечисленных закономерностей систем является Закон оптимальности, который гласит, что любая система функционирует с наибольшей эффективностью в некоторых характерных для нее пространственно-временных пределах. Размер системы должен соответствовать выполняемым ею функциям, в противном случае она будет неэффективной или неконкурентоспособной. С другой стороны, усложнение системы за пределы (системной) достаточности в конечном итоге ведет к ее саморазрушению или гибели.
В саморазвивающейся динамической системе всегда присутствуют два типа подсистем: первая сохраняет и закрепляет ее строение и функциональные особенности, а вторая ориентирована на ее изменение. Благодаря этому система имеет возможность самосохранения и развития в условиях обновляющейся среды существования. Также наблюдается тенденция всего сущего к усложнению организации путем нарастающей дифференциации функций и подсистем (органов). При этом выполняются Законы ускорения эволюции и вектора развития, которые, объединив можно сформулировать: развитие однонаправлено, а его темпы возрастают, что хорошо иллюстрируется разработанной Р. Ф. Абдеевым спиралью развития (рис.3.5). Для живого формулируется Закон необратимости эволюции Л. Долло, согласно которому организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему состоянию, уже осуществленному в ряду предков. При этом действует Закон последовательности прохождения фаз развития: фазы развития природной системы могут следовать лишь в эволюционно и функционально закрепленном (исторически, эволюционно, геохимически и физиолого-биохимически обусловленном) порядке, обычно от относительно простого к сложному, как правило, без выпадения промежуточных этапов, но, возможно, с очень быстрым их прохождением или эволюционно закрепленным отсутствием.
Рис.3.5. Спираль развития Р. Ф. Абдеева
Очевидно, что в жизни экологических систем действуют общие законы сохранения и термодинамики важные с точки зрения изучения потоков вещества и энергии.
Масса и энергия подчиняются закону сохранения, то есть они не могут исчезать и появляться из ничего.
Закон сохранения массы В приложении к экосистемам звучит следующим образом: баланс вещества в системе количественно определяется разницей масс поступившего и вышедшего вещества за определенный промежуток времени.
Первое начало термодинамики Гласит, что энергия не создается ни из чего и не исчезает в никуда, а только переходит из одной формы в другую. Энергия имеет множество разнообразных воплощений, среди них энергия движения, теплота, энергия гравитации, электрическая энергия, химическая энергия и другие. Независимо от формы, энергия означает способность совершать работу.
Второе начало термодинамики Указывает, в каком направлении протекают естественные самопроизвольные процессы. Второе начало термодинамики часто формулируется через понятие Энтропии (мера беспорядка): процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии.
В открытых системах, к которым относятся и экологические, могут идти процессы как с возрастанием, так и уменьшением энтропии. При этом в экосистеме вещество распределяется таким образом, что в одних местах энтропия возрастает, а в других резко снижается. В целом же, система не теряет своей организованности или высокой упорядоченности. Это является условием устойчивости экосистемы.
Большое значение в развитии экологических систем имеет Закон максимизации энергии и информации: система всегда стремиться к максимальному освоению поступающей к ней энергии и информации, что определяет ее устойчивость и конкурентоспособность.
Логическим развитием закона максимизации энергии и информации является Закон минимума диссипации энергии Л. Онсагера или принцип экономии энергии: при вероятности развития процесса в некотором множестве направлений реализуется то, что обеспечивает минимум диссипации энергии (т. е. минимальные затраты энергии).
В качестве примеров минимальной траты энергии природных процессов можно привести такие далекие друг от друга естественные образования, как пчелиные соты и полигональные формы рельефа, представляющие собой те же шестигранники, но образующиеся в результате процессов промерзания - протаивания мерзлотных грунтов в тундре.
С этими законами органически связан Принцип Ле Шателье-Брауна: при внешнем воздействии, выводящем систему из устойчивого равновесного состояния, равновесие смещается в том направлении, в котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Отсюда вытекает Принцип тормозящего развития, суть которого сводится к тому, что в период наиболее интенсивного развития системы возникают также и максимально действующие тормозящие эффекты.
Например, резкое сужение речной долины в период паводка становится причиной подъема воды выше этого суженого створа. Он же, в свою очередь, оказывается сдерживающим фактором разлива рек и затопления поселков и полей в расположенной ниже этого створа предгорной равнине.
Подобные природные "тормозящие эффекты" широко используются в практике предотвращения некоторых стихийных катастроф. В частности - для предотвращения угрозы селевых потоков в селеопасных долинах рек создаются условия для снижения скорости грязекаменного потока.
В открытой в теpмодинамическом отношении экосистеме миграция вещества, энергии и информации происходит как между элементами самой системы, так и через ее границы. Следовательно, правомерен Принцип энергетической проводимости, утверждающий, что поток энергии, вещества и информации в экосистеме должен быть сквозным и охватывать все ее компоненты.
Длительность прохождения этого потока различна в различных экосистемах, например водной и наземно-воздушной. В свою очередь, темпы водообмена также различны в реке, озере, океане, подземной гидросфере.
Важнейшее следствие из этого принципа - Закон сохранения жизни, сформулированный Ю. Н. Куржаковским. Он гласит: жизнь может существовать лишь при движении через живое тело потока веществ, энергии и информации.
Похожие статьи
-
Функционирование экосистем - Основы общей экологии
Энергия В Экосистемах. Напомним, что экосистема - это совокупность живых организмов, обменивающихся непрерывно энергией, веществом и информацией друг с...
-
Размеры биогеоценозов различны. Совокупности биогеоценозов образуют главные природные экосистемы, имеющие глобальное значение в обмене энергии и вещества...
-
Экосистема - основное понятие экологии - Основы общей экологии
Экология рассматривает взаимодействие живых организмов и неживой природы. Это взаимодействие, во-первых, происходит в рамках определенной системы...
-
Экологические факторы - Основы общей экологии
Неживая и живая природа, окружающая растения, животных и человека, носит название среды обитания. Множество отдельных компонентов среды, влияющих на...
-
Экология (от греч. жилище, местопребывание и понятие, учение) -- наука, изучающая взаимоотношения организмов друг с другом и со средой их обитания....
-
Биотическая структура экосистем - Основы общей экологии
Экология биотический толерантность закон Экосистема основана на единстве живого и неживого вещества. Суть этого единства проявляется в следующем. Из...
-
Классификация экосистем - Основы общей экологии
Экосистемы можно классифицировать по их функциональным или структурным признакам. Пример полезной функциональной классификации - деление, основанное на...
-
КОНЦЕПЦИЯ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ МИРОВОГО СООБЩЕСТВА - Основы экологии
Концепция устойчивого развития вошла в природоохранный лексикон после Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992 г.). По...
-
Эмерджентность как свойство экосистем - Основы экологии
Между названными уровнями организации живого существует соподчиненность. Более простые уровни входят как основные элементы в более сложные. Однако на...
-
Общая экология, Экология организмов - Основы экологии
Экология организмов Экология организмов или аутэкология - это раздел общей экологии изучающий отдельный организм и его окружающую среду. Термин...
-
Заключение - Основы общей экологии
Когда в середине шестидесятых годов двадцатого столетия проблемы окружающей среды оказались в центре внимания мировой общественности, встал вопрос:...
-
Динамика экосистем. Саморегуляция и устойчивость экосистем - Общая экология
Поступательные изменения в сообществе приводят к смене одного сообщества другим. Причиной подобных смен могут быть факторы, длительное время действующие...
-
Основы аутэкологии (факториальной экологии), Организм и среда - Общая экология
Организм и среда Живые организмы во всем многообразии их связей являются предметом изучения экологии. К живым организмам относятся все формы...
-
КЛИМАКСОВЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ И ТИПЫ КЛИМАКСА. ГОМЕОСТАЗ - Основы экологии
Климаксовоя экосистема. Сукцессия завершается стадией, когда все виды экосистемы, размножаясь, сохраняют относительно постоянную численность и дальнейшей...
-
Биохимическая эволюция живых организмов - Общая экология
Теорий возникновения протобиополимеров - основы жизни на Земле несколько. Рассмотрим наиболее важнейшие из них. Теория Панспермии. Данной точки зрения...
-
Роль В. И. Вернадского в формировании современного учения о биосфере - Общая экология
Учение В. И. Вернадского о биосфере - целостное фундаментальное учение, органично связанное с важнейшими проблемами сохранения и развития жизни на Земле,...
-
Приспособление организмов к неблагоприятным условиям среды - Общая экология
Экологические факторы могут выступать как: - Раздражители и вызывать приспособительные изменения физиологических и биохимических функций; - Ограничители...
-
Основные принципы социальной экологии - Характеристика социальной экологии
Социальная экология - это научная дисциплина, эмпирически исследующая и теоретически обобщающая специфические связи между обществом, природой, человеком...
-
В российском законодательстве имеются документы, определяющие обязанности и ответственность организаций по сохранности, защите окружающей среды. Такие...
-
Биоценозы (сообщества), их таксономический состав и функциональная структура - Общая экология
В природе все организмы не изолированы Друг от друга, а образуют разнообразные связи с другими организмами, средой обитания. Без этого ни один индивидуум...
-
Общие фундаментальные принципы и законы в экологии - Космос и экология
Чтобы понять законы экологии и представить себе возможные последствия неудачного сосуществования человека с природой, необходимо понять, что такое жизнь,...
-
Антропогенные процессы в растительных сообществах - Основы экологии
Наступление человека на леса имеет давнюю историю. Когда человек для получения продуктов питания от собирания плодов и охоты перешел к земледелию,...
-
Основы учения о биосфере Определение понятия "биосфера" Биосфера (греч. bios - жизнь, sphaira - шар, сфера) - сложная наружная оболочка Земли, населенная...
-
Впервые определение экосистемы как совокупности живых организмов с их местообитанием было дано Тэнсли в 1935 году. При экосистемном подходе к изучению...
-
КЛАССИФИКАЦИЯ ЭКОСИСТЕМ ПО ПРОДУКТИВНОСТИ - Основы экологии
Продуктивность и плодородие экосистем. Изучение продуктивности - крайне важное направление экологических исследований. В течение 10 лет (с 1964 по 1974...
-
Биотические процессы в биосфере - Общая экология
Жизнь на Земле зависит от двух фундаментальных процессов - однонаправленного потока энергии, исходящей от Солнца и круговорота в экосфере химических...
-
Современные проблемы биосферы, Экология биосферы - Основы экологии
Экология биосферы Понятие "биосфера". В 1875 г. Австрийский ученый-геолог Э. Зюсс ввел в научную литературу термин "биосфера".ю понимая под ним все то...
-
Учение об экосистемах или синэкология - Основы экологии
Взаимосвязи и взаимоотношения организмов в экосистемах Ни один организм в природе не существует вне связей с условиями внешней среды, представленными...
-
Экосистема и ее свойства - Понятие экосистемы
Экосистема -- сообщество организмов биоценоза и окружающей их неживой природы, образующее устойчивую и динамическую систему. Другими словами,...
-
Основные законы экологии - Особенности современного состояния экологии как науки
Одним из главных достижений экологии стало открытие, что развиваются не только организмы и виды, но и экосистемы. Последовательность сообществ, сменяющих...
-
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГОРОДСКИХ ЭКОСИСТЕМ И ЗАДАЧИ ГОРОДСКОЙ ЭКОЛОГИИ - Основы экологии
По мере развития города в нем все более дифференцируются его функциональные зоны - это промышленная, селитебная, лесопарковая. Промышленные зоны - это...
-
Воздействие человека на экосистему - Основы общей экологии
Воздействие человека на окружающую его природную среду может рассматриваться в разных аспектах в зависимости от цели изучения этого вопроса. С точки...
-
Основы демэкологии (экологии популяций), Вид и его экологическая характеристика - Общая экология
Вид и его экологическая характеристика Вид -- элементарная структурная единица в системе живых организмов, качественный этап в их эволюции. Это...
-
ВОДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ И ИХ РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ - Основы экологии
Пресные воды на поверхности континентов экосистем образуют реки, озера, болота (рис. 7.5). Человек для своих нужд создает искусственные пруды и крупные...
-
Принцип устойчивого развития Ресурсосбережение как необходимость в постиндустриальном обществе На сегодняшний день рациональное использование ресурсов...
-
Сопряженная эволюция (коэволюция) на внутривидовом и межвидовом уровнях характеризуется тем, что при ней обмен генетической информацией минимален. На...
-
Основные принципы природосберегающих технологий - Социальная экология
На современном этапе развития общества разработка научного осознания единства общества и природы стимулируется необходимостью практического обеспечения...
-
Экосистема - основное понятие экологии - Классификация экосистем
Экология рассматривает взаимодействие живых организмов и неживой природы. Это взаимодействие, во-первых, происходит в рамках определенной системы...
-
Виды систем и виды связей в системах - Основы экологии
Предметом изучения экологии являются живые системы, следовательно, важно познакомиться с общими положениями теории систем. Различают три вида систем: 1....
-
Международные принципы охраны окружающей среды - Экологические основы природопользования
Принципы, применяемые к международно-правовой охране окружающей среды и природопользованию, подразделяются на общепризнанные принципы современного...
Основы синэкологии (экологии сообществ и экосистем), Экосистемы и принципы их функционирования - Общая экология