Основные понятия системной экологии

ЛЕКЦИЯ 21

Основные понятия системной экологии

         Практически все явления в природе, обществе происходят в тех или иных системах. Например, в системе циркуляции атмосферы возникают явления погоды. До недавнего времени основным подходом в науке было выделение изучаемого элемента из системы, «очищение» его от посторонних влияний, чтобы «в чистом виде» изучить связь конкретного воздействия с конкретным результатом. Знания, полученные на основе такой редукции, использовались потом для конструирования систем. Такой подход характерен для химии, физики, биологии и др. естественных наук.

         В экологии основным объектом изучения являются экосистемы, принадлежащие к системам высокого уровня сложности. Их описание, анализ изменений, закономерности развития до сих пор не могут быть сделаны с математической точностью. Лишь самые общие тенденции, закономерности, практически не отражающие внутреннюю структуру сложных систем, доступны формализации и исследованию на моделях.

         Так как понятие система лежит в основе экологии, то в изучении экологии необходим системный подход, то есть рассмотрение различных систем.

 Согласно общей теории систем система - это реальная или мыслимая совокупность частей, целостные свойства которой опре­деляются взаимодействием между частями (элементами) системы.

         Обычно систему определяют как совокупность объектов, объе­диненных некоторой формой регулярного взаимодействия или взаимозависимости для выполнения заданной функции.

         В материальном мире существуют определенные иерархии систем. Они служат ос­новой системологии. Все многообразие нашего мира можно пред­ставить в виде трех последовательно возникших иерархий. Это основная, природная, физико-химико-биологическая иерархия и побочные, возникшие на ее основе, социальная и техническая иерархии. Существование последних влияет на основную иерархию. Объединение систем из разных иерархий приводит к «смешанным!» классам систем. Так, объединение систем из физико-химической части иерархии с живыми системами биологической части иерархии приводит к смешан­ному классу систем, называемых экологическими. А объединение систем из социальной и технической иерархий приводит к клас­су хозяйственных или технико-экономических систем.

Общие свойства систем

Рекомендуемые материалы

         Всем системам присущи некоторые общие свойства.

         1. Каждая система имеет определенную структуру. Структурная упорядоченность сама по себе не определяет организацию системы. Систему можно на­звать организованной, если ее существование либо необходимо для поддержания некоторой функциональной (выполняющей опреде­ленную работу) структуры, либо, напротив, зависит от деятельности такой структуры.

         2. Согласно принципу необходимого разнообразия система не мо­жет состоять из идентичных элементов, лишенных индивидуально­сти, нижний предел разнообразия - не менее двух элементов, верх­ний - бесконечность. Разнообразие - важнейшая информацион­ная характеристика системы. Оно отличается от числа разновидно­стей элементов и может быть измерено.

         3. Свойства системы невозможно постичь лишь на основании свойств ее частей. Решающее значение имеет именно взаимодейст­вие между элементами. Изучая по отдельности некоторые формы грибов и водорослей, нельзя предсказать существование их симбиоза в виде лишайника. Совместное действие двух или более различных факторов на организм почти всегда отличается от суммы их раздельных эффектов. Степень несводимости свойств системы к сумме свойств отдельных элементов, из которых она состоит, опре­деляет эмерджентность системы.

         4. Выделение системы делит ее мир на две части - саму систе­му и ее среду. В зависимости от наличия (отсутствия) обмена веще­ством, энергией и информацией со средой принципиально возмож­ны: изолированные системы (никакой обмен невозможен); замкну­тые системы (невозможен обмен веществом); открытые системы (возможен обмен веществом и энергией). Обмен энергии определя­ет обмен информацией. В живой природе существуют только от­крытые динамические системы, между внутренними элементами ко­торых и элементами среды осуществляются переносы вещества, энергии и информации.

         5. Преобладание внутренних взаимодействий в системе над внешними определяют ее способность к самосохранению. Внеш­нее воздействий на систему, превосходящее силу и гибкость ее внутренних взаимодействий, приводит к необратимым изменениям и гибели системы. Устойчивость динамической системы поддержи­вается непрерывно выполняемой ею внешней циклической рабо­той. Для этого необходимы поток и преобразование энергии в системе. Вероятность достижения главной цели системы - самосохра­нения (в том числе и путем самовоспроизведения) определяется как её потенциальная эффективность.

         6. Действие системы во времени называют ее поведением. Вызванное внешним фактором изменение поведения обозначают как реакцию системы, изменение реакции системы, связанное с изме­нением структуры и направленное на стабилизацию поведения, ­как ее приспособление, или адаптацию. Закрепление адаптивных изменений структуры и связей системы во времени, при котором ее потенциальная эффективность увеличивается, рассматривается как развитие, или эволюция, системы.

         7. Важной особенностью эволюции сложных систем является неравномерность, отсутствие монотонности. Периоды постепенного накопления незначительных изменений иногда прерываются рез­кими качественными скачками, существенно меняющими свойства системы. Обычно они связаны с так называемыми точками бифур­кации - раздвоением, расщеплением прежнего пути эволюции. От выбора того или иного продолжения пути в точке бифуркации очень многое зависит. Выбор в точке бифуркации может быть обуслов­лен случайным импульсом.

8. Любая реальная система может быть представлена в виде не­которого материального подобия или знакового образа, т. е. соот­ветственно аналоговой или знаковой моделью системы. Моделиро­вание неизбежно сопровождается некоторым упрощением и форма­лизацией взаимосвязей в системе. Эта формализация может быть осуществлена в виде логических и/или математических отношений.

Понятие о причинных связях

         Взаимодействие между элементами систе­мы может иметь различную природу и вы­ражаться разными функциями.

Эти взаимодействия характеризуются Обратными связями. Существуют обратные связи с различным знаком действия – положительные и отрицательные. Элементы и подсистемы, связанные положительной обратной связью, склонны, если их не ограничивают другие связи, взаимно усиливать друг друга, создавая неустойчивость в системе.

Например, повышение температуры на Земле ведёт к таянию полярных и горных льдов, уменьшению альбедо и поглощению большого количества поступающей от Солнца. энергии. Это вызывает дальнейшее повышение температуры, ускоренное сокращение площади ледников – отражение солнечной энергии и т. д. Если бы не другие факторы, Земля бы существовала только либо как ледяная, либо как раскалённая, наподобие Венеры, безжизненная планета.

Отрицательные обратные связи обеспечивают способность систем к стабилизации состояния. Поэтому численность хищника, отрицательно действует на численность жертвы, стабилизирует её и, значит, себя самоё, хотя связь хищник - жертва имеет положительный знак: увеличение численности жертвы позволяет хищнику также увеличить численность

Сочетание отрицательных и положительных связей в ряде случаев создаёт в системах колебательные режимы.

Причинные связи

         Среди форм отношений между элементами различных систем в жи­вой природе и человеческом обществе одно из главных мест занимают парные взаимодействия, которые обобщенно могут быть обозначены как «ресурс 1 потребитель ресурса». В природе потребление растением минераль­ных питательных веществ из почвы и воздуха, поедание травы травояд­ным животным, отношения хищника и его жертвы, паразитизм и т. п. Взаимодействия в каждой из таких пар можно представить в виде контура обратных связей. Классическим примером такого контура может быть модель взаимовлияния численности особей в популяциях хищника (Х) и его жертвы (Ж).

         Чем больше численность жертвы, тем больше пищи для хищника и тем больше его численность при прочих равных условиях (положительная прямая связь). Но чем больше хищников, тем больше они уничтожают жертв, таким образом, численность жертв уменьшается (отрицательная обратная связь).

         В целом контур имеет отрицательный знак («плюс и минус дают минус»). Это означает, что система авторегуляторна, т.е. способна сама себя поддерживать, хотя и колеблется около ка­кого-то более или менее стабильного соотношения численностей.

         Рассмотрим поведение более сложного контура.

         Такая система может стабильно функционировать длительное время. Умеренное возмущение гасится в ней авторегуляторным, взаимодействием всех элементов системы с использованием меха­низма обратных связей. Допустим, например, что под влиянием повышенной температуры или попадания в водоем удобрений уси­лилось развитие фитопланктона и водных растений. Это приводит к уменьшению запаса минеральных веществ и росту биомассы животных - от зоопланктона до рыб. Повышенное выедание планктона через какое-то время ограничивает этот рост. Увеличение биомассы обитателей водоема ведет к нарастанию массы детрита. Будучи пищей для бактерий, детрит обусловливает их усиленное размножение. Ускоряются деструкция органики и разложение ее до минеральных продуктов. Цикл замыкается, и восстанавливаются прежние соотношения между звеньями пищевой цепи.

         Если же внешнее возмущение слишком велико (например, в во­доем попадает избыточное количество биогенных элементов - со­единений азота и фосфора), то происходит эвтрофирование, т.е. «перекармливание», водоема. В этом случае бурное развитие фитопланктона и водных растений (так называемое «цветение» водоема) нарушает авторегуляцию: гниение большой массы отмерших растений отравляет воду, в ней резко падает содержание кислорода, наступают заморные явления, ­погибают многие беспозвоночные и рыбы. Наиболее негативную роль при этом играют сине-зеленые водоросли.

         Необходимо подчеркнуть исключительное значение отрица­тельных обратных связей и отрицательных контуров для любых сис­тем, в. которых осуществляется регуляция. Отрицательная обратная связь является главным элементом любого регулятора в технике. На принципе отрицательной обратной связи построены все механизмы регуляции физиологических функций организма и поддержания по­стоянства внутренней среды и внутренних взаимосвязей, т.е. гом.ео­стаз любой авторегуляторной системы. Все без исключения экологи­ческие системы включают контуры отрицательных обратных связей.

         В отличие от них контуры положительных обратных связей не только не способствуют регуляции, а напротив, генерируют деста­билизацию системы, приводя ее либо к угнетению и гибели, либо к ускоренному росту, за которым, как правило, опять же следуют срыв и разрушение системы. Так, наращивая производство и при­менение пестицидов, мы через какое-то время сталкиваемся с по­вышением устойчивости вредителей к ядам и их усиленным раз­множением из-за того, что оказались отравленными их естествен­ные враги в природе - птицы. Приходится разрабатывать новые препараты и снова увеличивать их производство, хотя ясно, что по­беда может быть только временной. (3)

Система «природа человек»

         Для понимания глобальных экологических проблем важна модель взаимодействий между человеческим обществом и окру­жающей живой природой, между биосферой и созданной человеком техносферой. Сначала возьмем «простой» контур взаимодействий «природа – человек»:

                                              П                      Ч

         Данная система, по существу, не отличается от пары «ресурс ­ - эксплуататор» или «хищник - жертва» Будучи системой с отрицательной обратной связью, она может функциони­ровать, как самоподдерживающаяся, авторегуляторная система. Но на самом деле в настоящее время эта система неравновесна и неустойчи­ва: сильная отрицательная обратная связь «П^--!Ч» не уравновешива­ется слабой положительной прямой связью «П"⁺Ч». Человек (экс­плуататор) ведет себя так, как будто почти не испытывает ограничений и сопротивления со стороны природы (жертвы, ресурса). В основном потому, условно говоря, что объем, масса П (природы) намного боль­ше, а активность, сопротивление меньше, и убежать некуда

         Необходимо стабильное сосуществование человека с природой, хотя в принципе не исключен и другой исход, так как в настоящее время имеет место лишь начальная фаза кризиса. Недаром часто говорят о сопряженном угне­тении и гибели природы и цивилизации.

Система «ЧЭБС»

         Все классы систем материаль­ного мира Земли замкнуты в одну динамическую суперсистему: «чело­век - экономика - биота - среда» - ЧЭБС. Это глобальная  эколого-экономическая система, главный объект макроэкологии.

Типы и характеристики ЛВС - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

         Двусторонняя связь «человек - экономика», как уже отмечено, обладает признаками контура с положительной обратной связью. В связях между экономикой и биотой биосферы сильно превалирует отрицательное воздействие «экономика"^--биота», поскольку экономика выступает в этой свя­зи исключительно как потребитель и нарушитель, а биота как ресурс обладает конечным, хотя и большим объемом и до некоторых пределов пассивна по отношению к экономике. Осуществляемые человеком восстановительные усилия и возврат веществ, которые могут быть использованы в природном круговороте, ничтожны по сравнению с объемами изъятия и порчи природных ресурсов.

         Такой же характер имеет и связь «экономика"^--среда». Отличие заключается в ином соотношении объемов «порчи» и «изъятия». Способность живой природы формировать и регулировать среду отражена в модели положительной связью «биота "⁺среда», а лимитирующее действие среды  -  связью «среда"^--биота». Поскольку благополучие человека существенно зависит от состояния среды, связь «среда"+человек» прак­тически односторонняя и положительная, но пока еще не так замет­но, как в природе, лимитируется ресурсами и факторами среды.

         В целом система ЧЭБС обладает свойствами контура с отрицательной обратной связью и должна быть способна к авторегуляции.

Видимое благополучие человечества обусловлено двумя положи­тельными связями: Э"⁺Ч и Ч⁺!С, причем сами люди отдают явное предпочтение первой из них - получению произведенных цен­ностей. Поскольку число людей Ч и их потребности растут, то уве­личивается и продукция экономики Э. Это увеличение до сих пор происходит намного быстрее, чем растет коэффициент полезного действия  экономики, т.е. отношение количества произведен­

ной пользы (ценностей) к количеству использованных для этого веществ и энергии. Следовательно, рост экономики сопровождается увеличением его вредного действия - негативным техногенным дав­лением на природу и окружающую среду, а через них и на челове­ка. Поэтому благополучие людей, обусловленное развитием эконо­мики, это в определенной степени кажущееся благополучие. Оно в действительности намного меньше, чем мы привыкли себе пред­ставлять.

         Способность системы ЧЭБС к авторегуляции и стабилизации осно­вана на объективных законах природы Она отвечает свойствам природ­ных систем, обеспечивает их устойчивость. Но эта способность не уст­раивает человека, так как он не любит ограничивать себя. Он обрел не­бывалую для живых существ потребительскую мощь и привык «поко­рять» природу, брать от нее все больше, не считаясь с ее сопротивлени­ем и ответными ударами. Поэтому сейчас система пребывает в неустойчивом состоянии. Но это временное явление. Система не может нахо­диться в подобном состоянии сколь угодно долго. И совсем не потому, что люди пытаются реализовать идею «устойчивого развития».