168631 (Вивчення природних екосистем)

Вивчення природних екосистем

План

Вступ

1. Основні характеристики систем

2. Екологічна система та зв’язки в ній

3. Правила конструктивної стійкості екосистеми

4. Взаємодія біотичних, абіотичних компонентів та чинників середовища

Висновок

Література

Вступ

Системна парадигма домінує в сучасній науці, у тому числі і екології, яка має своїм основним об'єктом вивчення екологічні системи. Перш ніж їх розглянути, слід торкнутися загального поняття "система", що має вирішальне значення для осмислення складних природних взаємодій.

Під системою розуміється сукупність елементів, що знаходяться у відносинах і зв'язках один з одним, створюючих певну цілісність, тобто структурно-функціональна єдність.

Системний аналіз – це методологія дослідження об'єктів за допомогою представлення їх як системи і аналіз цих систем. Системи при цьому виділяються виходячи з мети дослідження. З одного боку система розглядається як єдине ціле, з іншою - як сукупність елементів. Причому ціле має нові, особливі властивості, які відсутні у його становлячих елементів (наприклад, молекула володіє іншими властивостями, ніж складові її атоми). Це закон емерджентності (несподівана поява, англ.) відомий із старовини, як “ціле більше суми його частин” . Очевидно, що ніяка система не може сформуватися з абсолютно ідентичних елементів. Навіть в кристалічних гратах алмаза положення атомів вуглецю робить їх функціонально різними. Це закон необхідної різноманітності. Нижня межа - не менше два елементи, а верхній - нескінченність.

1. Основні характеристики систем

Основними характеристиками будь-якої системи будуть: а) межі, би) властивості елементів і системи в цілому, в) структура, г) характер зв'язків і взаємодії між елементами системи, а також між системою і її зовнішнім середовищем.

Межі – найскладніші характеристики системи, витікаючі з її цілісності, визначувані тим, що внутрішні зв'язки і взаємодії набагато сильніше за зовнішні. Остання обставина визначає стійкість системи до зовнішніх дій.

Властивості елементів і системи в цілому характеризуються ознаками, кількісні ознаки називають показниками.

Структура системи визначається співвідношенням в просторі і в часі складаючих її елементів і їх зв'язків. Просторовий аспект структури характеризує порядок розташування елементів в 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 є різними формами речовинного, енергетичного і інформаційного обміну. За наявності зв'язків системи із зовнішнім середовищем межі є відкритими, в осоружному випадку – закритими.

2. Екологічна система та зв’язки в ній

Екологічна система є будь-якою сукупністю живих організмів і середовища їх незаселеного, взаємозв'язаного обміном речовин, енергії, і інформації, яку можна обмежити в просторі і в часі за значущим для конкретного дослідження принципами.

Вивчення природних екосистем в загальному випадку проводиться в структурному і функціональному аспектах. В структурному відношенні досліджується видовий склад екосистеми: з'ясовується перелік видів мікроорганізмів, рослин і тварин, що населяють екосистему, їх кількісне співвідношення.

Інформація, в екологічних системах може розумітися як енергетично слабий сигнал, що управляє системою. Наприклад, він може сприйматися її організмами у формі закодованого повідомлення про можливість багато разів більш могутніх впливів з боку інших організмів, або чинників середовища, що викликають їх у відповідь реакцію. Так, слабі і абсолютно нечутливі для людини підземні поштовхи - передвісники більш могутнього руйнівного землетрусу, сприймаються багатьма тваринами, своєчасно покидаючими свої нірки.

Таким чином, інформаційна суть 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, зворотною петлею, по якій частина сигналів з виходу системи поступає назад на її вхід, що зображається (рис.1). При цьому їх вплив на управління системою може різко посилиться. В природі часто низькоенергетичні сигнали викликають високоенергетичні реакції.

Мал. 1 Механізм зворотного зв'язку

В екосистемах формуються найскладніші ланцюги і сіті 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.2). 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). Таким чином, чисельності "хижака" і "жертви" взаимозависимы і утворюють контур зворотного зв'язку:

В цілому контур зворотного зв'язку має негативний знак і середні чисельності оленів і вовків будуть постійними. Це визначає гомеостаз (гомос - однаковий, стасис - однаковий, гр.) системи "хижак-жертва. Гомеостазом називається здатність організмів або екосистеми підтримувати стійку динамічну рівновагу в умовах середовища, що змінюються.

Рис.2. Графік динаміки численностей оленів, вовків і сов.

Підкреслимо, що екологічні системи включають контури негативних зворотних зв'язків для саморегуляції і підтримки свого гомеостазу.

Будь-яка екологічна система є системою відкритої, оскільки вона завжди взаємодіє із зовнішнім середовищем: сонячною радіацією, вологооборотом на поверхні і в почво-грунтах, вітровим привносом і винесенням матеріалу. Отже, будь-які просторові обмеження екосистеми завжди умовні.

Припустимо, нам треба вивчити бджолину сім'ю. Її можна вивчати як таку, обмежуючись об'ємом вулика, оборудовав його необхідними датчиками і прозорими стінками. Межа досліджень визначатиметься стінками вулика. Проте, при необхідності оцінки джерел живлення бджолиної сім'ї, дослідження визначатимуться дальністю польоту бджоли, а самі вони включать також геоботанічний спектр території, охопленої бджолами цієї сім'ї. Отже, межі екосистеми в загальному випадку визначаються метою її дослідження.

Поняття екологічної системи ієрархічно. Це означає, що всяка екологічна система певного рівня включає ряд екосистем попереднього рівня, менших за площею і сама вона, у свою чергу, є складовою частиною більш крупної екосистеми.

Вище розглянута ієрархія екологічних систем і на прикладах показано, що будь-яка екологічна система складається з підсистем. Їх кількість і якісна відмінність не можуть бути строго фіксований, але визначаються фізико-географічними і іншими умовами життя. 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 дією, виводить систему із стану рівноваги і стимулює її перехід в іншу якість.

Багато динамічних систем прагнуть надмірності системних елементів при мінімумі числа варіантів організації. В процесі розвитку надмірність може бути замінений 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.

3. Правила конструктивної стійкості екосистеми

Згідно правила конструктивної стійкості, надійна система може бути складений з ненадійних елементів або підсистем, не здібних до самостійного існування. По відношенню до екосистем 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 за стійкість кожного окремого її компоненту 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 осоружному випадку вона буде неефективною або неконкурентоспособної. З другого боку, ускладнення системи за межі (системної) достатності зрештою веде до її саморуйнування або загибелі.

В динамічній системі, що саморозвивається, завжди присутні два типи підсистем: перша зберігає і закріплює її будову і функціональні особливості, а друга орієнтована на її зміну. Завдяки цьому система має нагоду самозбереження і розвитку в умовах середовища існування, що обновляється. Також спостерігається тенденція всього сущого до ускладнення організації шляхом наростаючої диференціації функцій і підсистем (органів). При цьому виконуються закони прискорення еволюції і вектора розвитку, які, об'єднавши можна сформулювати: розвиток однонаправлено, а його темпи зростають, що добре ілюструється розробленою Р.Ф.Абдєєвим спіраллю розвитку (рис.4). Для живого формулюється закон безповоротності еволюції Л. Долло, згідно якому організм (популяція, вигляд) не може повернутися до колишнього стану, вже здійсненому у ряді предків. При цьому діє закон послідовності проходження фаз розвитку: фази розвитку природної системи можуть слідувати лише в еволюційно і функціонально закріпленому (історично, еволюційно, геохімічно і физіолого-біохімічно обумовленому) порядку, звичайно від відносно простого до складного, як правило, без випадання проміжних етапів, але, можливо, з дуже швидким їх проходженням або еволюційно закріпленою відсутністю.

Рис.4. 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 ні з чого.

4. Взаємодія біотичних, абіотичних компонентів та чинників середовища

Виходячи з реальної взаємодії живих організмів, створюючих екосистему, між собою і середовищем їх незаселеного, правомірно вичленувати в будь-якій екосистемі взаємообумовлені сукупності біотичних (живі організми) і абіотичних (відстала або нежива природа) компонентів, а також чинники середовища (такі як сонячна радіація, вогкість і температура, атмосферний тиск, антропогенні чинники і інші).

Біоту (співтовариство організмів), що входить до складу біогеоценоза або елементарної екосистеми, прийнято називати біоценозом (біос - життя, койнос - співтовариство, гр.), а простір ним зайняте - біотопом (топос - місце, гр.). Сукупності природних чинників, у свою чергу, визначають і лімітують розвиток екосистем. Таким чином, абіотичні компоненти в сукупності з біотичними і природними чинниками, складають екологічні умови середовища існування.

Основою формування і функціонування біогеоценозів, а отже і екосистем, є продуценти - рослини і мікроорганізми, здатні проводити (продукувати) з неорганічної речовини органічне, використовуючи енергію світла або хімічні реакції.

Вони виділяють чисту первинну продукцію, обумовлену приростом біомаси, і валову первинну продукцію, в яку входить загальна кількість продукованої в ході фотосинтезу органіки, включаючи енергію витрачену на життєдіяльність (наприклад, на дихання і виділення ароматичних речовин). При цьому первинною продуктивністю називають біомасу, а також енергію і летючі біогенні речовини, вироблювані продуцентами на одиниці площі за одиницю часу.

Продуценти, що використовують для продукування органічної речовини сонячну енергію називаються автотpофами (автос - сам, троф - харчуватися, гр.), а використовуючі хімічну енергію - хемотpофами. До останніх відносяться організми, що синтезують органічну речовину з неорганічного за рахунок енергії окислення аміаку, сірководня, заліза і інших речовин, що знаходяться в грунті або підстилаючих гірських породах. Сірководень, гази нафтового ряду можуть поступати з надр землі по тектонічних розломах, а поблизу поверхні Землі освоюватися хемотpофными бактеріями.

Саме з цієї причини неоднаковий прихід на поверхню Землі сонячної радіації, залежний від широти місцевості і орієнтування поверхонь рельєфу є вирішальним чинником формування зональних характеристик земних ландшафтів і утворюючих їх екосистем.

На відміну від продуцентів, створюючих первинну продукцію екосистем, організми, що використовують цю продукцію, отримали назву гетеротpофи (гетерос - різний, гр.). Вони використовують для формування своїх органів готову органічну речовину інших організмів і продукти їх життєдіяльності.

Гетеротрофністю володіють консументи (консумо - споживати, лат.) - споживачі живої органічної речовини, до яких відносяться фитофаги і зоофаги. Консументи визначають вторинну продуктивність.

В природних екосистемах забезпечується стан динамічної постійності балансу: (рослини « фитофаги « хижаки « паразити). Проте, коливання чисельності може бути значне.

Трофічні або харчові ланцюги можуть бути представлений у формі піраміди. Чисельне значення кожного ступеня такої піраміди може бути виражено числом особин, їх біомасою або накопиченої в ній енергією.

Відповідно до закону піраміди енергій Р. Ліндемана і правила десяти відсотків, з кожного ступеня на подальший ступінь переходить приблизно 10 % (від 7 до 17 %) енергії або речовини в енергетичному виразі (рис.6). Помітимо, що на кожному подальшому рівні при зниженні кількості енергії її якість зростає, тобто здатність скоювати роботу одиниці біомаси тварини у відповідне число раз вище, ніж такої ж біомаси рослин.