34

Глава 5

Классификация и свойства экосистем

1. Классификация систем

2. Системные связи. Прямые и обратные связи.

3. Гомеостаз. Резистентная и упругая устойчивость экосистем.

4. Энергетические процессы в экосистемах.

5. Трофическая структура экосистемы.

6. Энергетические пирамиды экосистем. Закон 10%.

7. Продукция и биомасса экосистемы. Пирамиды биомасс и продукции суши и моря.

8. Законы экологии. Правило оптимума. Закон минимума Либиха. Закон толерантности Шелфорда.

9. Лимитирующие факторы.

10. Абиотические факторы.

11. Биотические факторы.

12. Виды биотических связей.

13. Основной закон экологии.

14. Экологическая сукцессия. Виды сукцессий. Функциональные показатели зрелости сукцессии.

Классификация систем.

Рассматривая ЭКОСИСТЕМЫ как системные явления, рассмотрим существующую в теории систем классификацию их на три вида:

1. Изолированные системы .

- Системы которые не обмениваются с окружающей средой и соседними системами ни веществом, ни энергией.

2. Закрытые системы.

- Системы обменивающиеся с окружающей средой и соседними системами только энергией, но не веществом.

3. Открытые системы.

- Системы которые обмениваются с соседними системами и окружающей средой и энергией и веществом.

Открытые системы могут сохранять высокий уровень организованности и развиваться в сторону увеличения порядка и сложности, что является одной из наиболее важных особенностей процессов самоорганизации. Открытые системы имеют важное значение в физике, в общей теории систем, биологии, кибернетике, информатике, экономике.

Биологические, социальные и экономические системы необходимо рассматривать как открытые, поскольку их связи со средой имеют первостепенное значение при их моделировании и описании

Все наблюдаемые в окружающем нас мире системы – открытые.

С некоторым приближением можно представить закрытые системы.

Изолированные системы – принимаются в физике «как результат обобщенного опыта», условное понятие, символ, не подтвержденный ни единым реальным объектом материального мира.

Системные связи.

Экосистемы имеют кибернетическую природу и характеризуются развитыми информационными сетями, состоящими из потоков физических и химических сигналов связывающие их в единое целое

Существующие связи прямые и обратные.

Прямая связь - объект А воздействует на объект В без ответной реакции. ( Нулевой отклик) .

( + 0 ) или ( - 0 )

Обратная связь – объект А воздействует на объект В. Объект Б отвечает.

Обратные связи занимают особое, главенствующее положение в саморегулировании экосистемам.

Когда сигнал с выхода системы опять появляется на входе - он регулирует последующее состояние системы на выходе.

Обратные связи - своеобразный аналог разумного познания.

А

В

Обратная связь бывает положительной или отрицательной.

(Отклик на воздействие может быть отрицательным или положительным.)

( + ) или ( - )

Положительная - «саморазгоняющая» связь. ( + )

Положительная обратная связь может расшатывать и даже разрушить экологическую систему, если не поступят отрицательные сигналы, компенсирующие неуправляемое одностороннее изменение.

Отрицательная – «стабилизирующая» связь ( - )

Отрицательная обратная связь помогает изменяться экосистеме и таким образом противодействовать изменениям внешних условий.

Отрицательную связь можно сравнить с «сервомеханизмами» в технике, устройствами управления с помощью обратной связи.

Для живых систем с подобными отрицательными обратными связями используют термин ГОМЕОСТАЗ.

ГОМЕОСТАЗ – способность экосистемы поддерживать устойчивое динамическое равновесие в изменяющихся условиях среды обитания с помощью обратных связей.

Итак, все живые организмы и экосистемы являются саморегулирующимися, гомеостатическими системами, поддерживающими равновесие с помощью обратных связей.

СТАБИЛЬНОСТЬ ЭКОСИСТЕМ – означает свойство любой экосистемы возвращаться в исходное положение после того, как она была выведена из состояния равновесия.

Стабильность экосистем определяется УСТОЙЧИВОСТЬЮ ЭКОСИСТЕМ к внешним воздействиям. Эта характеристика определяет степень и характер стабильности экосистемы.

Выделяют два типа устойчивости экосистем: РЕЗИСТЕНТНУЮ и УПРУГУЮ.

Резистентная устойчивость экосистемы – способность сопротивляться нарушениям, поддерживая неизменной свою структуру и функции.

Упругая устойчивость экосистемы – способность к быстрому восстановлению.

Энергетические процессы в экоситемах

Одной из задач экологии является изучение превращения энергии внутри экологической системы.

Усваивая солнечную энергию, зеленые растения создают потенциальную энергию (заключенную в органических веществах), которая при потреблении в пищу живыми организмами превращается в другие формы энергий.

Превращение энергий, в отличии от циклического круговорота веществ, идут в одном направлении, поэтому говорят о «потоке» энергий.

Энергетические процессы в экосистемах подчиняются первому и второму Законам термодинамики:

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ:

Энергия не возникает и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую.

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

При переходе (превращении) одной формы энергии в другую происходит рассеивание части энергии ( как правило в виде тепла).

Или иными словами при самопроизвольном превращении энергии она переходит из концентрированной формы в рассеянную.

Мерой необратимого рассеивания энергии является ЭНТРОПИЯ.

( эн – внутренний, тропус – превращение (греч.))

ЭНТРОПИЮ можно характеризовать и как степень упорядоченности системы.

В математической статистике существует два противоположных понятия: энтропия и вероятность.

Вероятность какого-либо события - как следствие упорядоченности, и энтропия - как аналог хаоса и непредсказуемости появления этого события.

Чем выше уровень организации системы, тем выше ее упорядоченность, тем меньше необратимой потери ее энергии.

Живые организмы и нормально функционирующие экосистемы характеризуются высокой степенью упорядоченности слагающих элементов.

Они поддерживают постоянный определенный для них уровень тепла и энергии и тем самым противостоят энтропии.

В этом одно из основных различий живого от мертвого.

Мертвое сливается с окружающей средой, потеряв свою энергию при необратимом рассеивании и сливаясь с температурой внешней среды .

Смерть - равновесие с внешней средой.

Холодная энтропийная смерть – определение истинной смерти живого.

Живая материя отличается от неживой, способностью аккумулировать из окружающего пространства свободную энергию, концентрировать ее и качественно преобразовывать, чтобы противостоять росту энтропии внутри себя.

Это свойство обратное энтропии – НЭГЕНТРОПИЯ.

ЖИЗНЬ – упорядоченное и закономерное поведение материи.

Чем выше организованность, упорядоченность экосистемы, тем значительней ее НЭГЕНТРОПИЯ и тем выше ее устойчивость.

Основным свойством нормально функционирующих природных экосистем является способность извлекать НЭГЕНТРОПИЮ из внешней среды (например - солнечную энергию) и тем самым поддерживать свою высокую упорядоченность.

Следует ли из второго закона термодинамики, что Солнечная система «стареет»? Ведь энергия при любых превращениях стремиться перейти в тепло равномерно распределенное между телами?

Характерна ли эта тенденция тепловому выравниванию всей Вселенной, пока не ясно, хотя в конце Х1Х века широко обсуждалась теория «тепловой смерти» Вселенной. Данная теория. Как любая гипотеза из области космогонии, она не может быть проверена.

Общепринятая в физике формулировка Второго Закона термодинамики гласит:

В открытых системах энергия стремится распределиться равномерно, то есть, стремится к состоянию максимальной энтропии.

Данное утверждение, являющееся верным для всего, что мы наблюдаем вокруг себя, однако это дало основание некоторым ученым, в частности Э.Бауэру сделать вывод, что для живых систем второй закон термодинамики не выполняется!

Но Второй Закон термодинамики имеет и более общую формулировку, справедливую для открытых ( самых сложных, живых ) систем:

Эффективность самопроизвольного превращения энергии всегда меньше 100%.

Из этой формулировки вытекает, что ЖИЗНЬ на Земле невозможна без постоянного поступления энергии (притока солнечной энергии).

Живой организм так же непрерывно увеличивает энтропию и приближается к опасному состоянию – максимуму энтропии – смерти, но избегает этого состояния, оставаясь живом только благодаря основному свойству живого – извлекать из окружающей среды НЕГЕНТРОПИЮ. С течением времени (старением), живой организм утрачивает жизнеспособность, накапливая дефицит негентропии, и как следствие устойчивости.

Любая экосистема включает в себя несколько трофических (пищевых) уровней или звеньев.

Первый уровень представлен растениями (автотрофами или продуцентами).

Второй уровень первичными и вторичными потребителями – животными (гетеротрофами или консументами и сапрофитами). К потребителям относятся консументы 1, 2 и 3 уровней и сапрофиты.

Последний уровень в основном представлен микроорганизмами и грибами (редуцентами или деструкторами).

Взаимосвязанный ряд трофических уровней представляет цепь питания или трофическую цепь.

ТРОФИЧЕСКАЯ (ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ) СТРУКТУРА ЭКОСИСТЕМ

Цепи питания и круговорот веществ в них

С В Е Т

Продуценты

Растительноядные

Плотоядные

1 порядка

Ж И В О Е В Е Щ Е С Т В О

Деструкторы и редуценты

Мертвое органическое вещество

МИНЕРАЛЬНОЕ ВЕЩЕСТВО ( костное)

Консументы ( животные)

Плотоядные

2 порядка