Реферат Теория сложных систем в экологии (1092089), страница 2
Текст из файла (страница 2)
emergence – появление, возникновение) –степень несводимости свойств системы к свойствам составляющих ееэлементов. Свойства системы зависят не только от составляющих ееэлементов, но и от особенностей взаимодействия между ними (например,явление синергизма, когда при взаимодействии некоторых токсичныхсоединений получаются еще более ядовитые вещества).Принцип необходимого разнообразия элементов сводится к тому, чтолюбая система не может состоять из абсолютно одинаковых элементов,более того, разнообразие элементов, ее составляющих, являетсянеобходимым условием функционирования.
Нижний предел разнообразияравен двум, верхний – стремится к бесконечности. Разнообразие иналичие разных фазовых состояний веществ, составляющих экосистему,определяют ее гетерогенность.Разнообразие зависит от числа разных элементов, составляющих систему,и может быть измерено. В экологии оно обычно оценивается попоказателю К. Шеннона:=−где– индекс разнообразия,– нормированная относительная численность i-го вида организмов всовокупности n видов.Устойчивость динамической системы и ее способность к самосохранениюзависит от преобладания внутренних взаимодействий над внешними.
Есливнешнее воздействие на биологическую систему превосходит энергетику еевнутренних взаимодействий, то это может вызвать необратимые измененияили гибель системы. Устойчивое или стационарное состояние динамической9IID11системы поддерживается непрерывно выполняемой внешней работой, длячего необходимы приток энергии, ее преобразование в системе и отток запределы системы.2Принцип неравновесности сводится к тому, что системы, функционирующиес участием живых организмов, являются открытыми, поэтому для ниххарактерно поступление и отток энергии и вещества, что невозможноосуществить в условиях равновесного состояния. Следовательно, любаяэкосистема представляет собой открытую, динамическую, неравновеснуюсистему.Понятие равновесия является одним из основных положений в науке.
Сточки зрения такой науки, как синергетика (междисциплинарная областьисследований процессов самоорганизации и самодезорганизации вразличных системах, в том числе в живых, например, в популяциях), длясистем характерны следующие особенности:1.Система реагирует на внешние условия.2.Поведение системы случайно и не зависит от начальных условий, нозависит от предыстории.3.Приток энергии создает в системе порядок, следовательно, энтропия ееуменьшается.4.Система ведет себя как единое целое.10IID11Таблица 1. Поведение системы в равновесной и неравновесной областяхРавновесное состояниеДля перехода от одной структуры кдругой требуются сильныевозмущения или измененияграничных условий2Неравновесное состояниеСистема "адаптируется" к внешнимусловиям, изменяя свою структуруМножественность стационарныхОдно стационарное состояниесостоянийЧувствительность к флуктуациям(небольшие влияния приводят к большимНечувствительность к флуктуациямпоследствиям, внутренние флуктуациистановятся большими).Все части действуют согласованноМолекулы ведут себя независимоФундаментальная неопределенностьдруг от друга.
Поведение системыопределяют линейные зависимостиСистема может находиться в состоянии равновесности и неравновесности;при этом ее поведение существенно различается (табл. 1).В соответствии со вторым законом термодинамики к равновесномусостоянию приходят все закрытые системы, то есть системы, не получающиеэнергии извне. При отсутствии доступа энергии извне система стремится ксостоянию равновесия, при котором энтропия равна нулю.
В случае, когдасистема находится в неравновесном состоянии, создаются условияформирования новых структур, для которых необходимо следующее:1) открытость системы; 2) неравновесное ее состояние; 3) наличиефлуктуации. Чем сложнее система, тем более многочисленны типыфлуктуации, которые могут привести ее в неустойчивое состояние. Однако всложных системах существуют связи между частями, которые позволяютсистеме сохранять устойчивое состояние.
Соотношением междуустойчивостью, обеспечивающейся взаимосвязью между частями, инеустойчивостью из-за наличия флуктуации определяется порогустойчивости системы. Если этот порог превышается, система попадает вкритическое состояние, которое называется точкой бифуркации. В даннойточке система становится неустойчивой относительно флуктуации и можетперейти в новое состояние устойчивости. Это положение имеет огромноезначение в эволюции экосистем.
В точке бифуркации система как быколеблется между выбором одного из нескольких путей эволюции.11IID11Подавляющее большинство систем в природе относится к открытым,обменивающимся с окружающей средой энергией, веществом иинформацией. Главенствующая роль в природных процессах принадлежит непорядку, стабильности и равновесию, а неустойчивости и неравновесности,то есть все системы флуктуируют. В точке бифуркации система невыдерживает и разрушается, и в этот момент времени невозможнопредсказать, в каком состоянии она будет находиться: станет ли состояниесистемы хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровеньнеупорядоченности.2Принцип равновесия в живой природе играет огромную роль.
Смещениеравновесия между видами в одну сторону может привести к исчезновениюобеих видов. Например, уничтожение хищников может привести куничтожению жертв, давление которых на окружающую среду можетвозрасти до такой степени, что им не хватит пищи. В природе наблюдаетсяогромное количество равновесий, которые поддерживают общее равновесиев природе.Равновесие в живой природе не статично, а динамично и представляет собойдвижение вокруг точки устойчивости. Если данная точка устойчивости неменяется, то такое состояние называется гомеостазом.Гомеостаз – способность организма или системы поддерживать устойчивое(динамическое) равновесие в изменяющихся условиях среды.Согласно принципу равновесия любая естественная система с проходящимчерез нее потоком энергии склонна развиваться в сторону устойчивогосостояния.
Гомеостаз, существующий в природе, осуществляетсяавтоматически за счет механизмов обратной связи. Молодые системы снеустоявшимися связями, как правило, подвержены резким колебаниям именее способны противостоять внешним возмущениям по сравнению созрелыми системами, компоненты которых успели приспособиться друг кдругу, то есть прошли эволюционные приспособления.Принцип обратной связи можно продемонстрировать на примерезависимости плотности популяции от пищевых ресурсов. Обратная связьвозникает, если «продукт» (численность организмов) оказываетрегулирующее влияние на «датчик» (пищу). В данном примере количествопищевых ресурсов определяет скорость прироста популяции.
Приотклонении плотности популяции от оптимума в ту или иную сторону12IID11увеличивается рождаемость или смертность, в результате чего плотностьприводится к оптимуму. Такая обратная связь, уменьшающая отклонение отнормы, называется отрицательной обратной связью.2Помимо систем обратной связи стабильность экосистемы обеспечиваетсяизбыточностью функциональных компонентов. Например, если в сообществеимеется несколько видов автотрофов, каждый из которых характеризуетсясвоим температурным оптимумом, то при колебаниях температурыокружающей среды скорость фотосинтеза сообщества в целом будетоставаться неизменной.Гомеостатические механизмы действуют в определенных пределах, закоторыми уже ничем не ограничиваемые положительные обратные связиприводят к гибели системы, если невозможна дополнительная настройка.
Помере нарастания стресса система, продолжая оставаться управляемой, можетоказаться неспособной к возвращению на прежний уровень.В экологии взаимоотношение частей и целого (отдельных популяций,составляющих биоценоз и экосистему в целом) в значительной степенизависит от уровня сложности рассматриваемой системы.Одну крайность представляют экосистемы, находящиеся в суровых условияхсреды (экосистемы арктической тундры и горячих источников), гдебиотических компонентов мало. Такие системы характеризуются малымвидовым разнообразием и их общие свойства можно изучить и понять наоснове изучения составляющих их компонентов (организмы, популяции).
Вто же время для сложных экосистем (лесная экосистема, озеро, биосфера),состоящих из многих тысяч компонентов, совокупность биотическихэлементов проявляет синергические (или взаимообусловленные) свойства,которые никак нельзя свести к сумме свойств элементов, их составляющих. Вданном случае свойства экосистемы определяются не только суммой свойствсоставляющих ее популяций разных организмов, но и общесистемнымисвойствами, возникающими при взаимодействии биотических компонентов.В сложных многовидовых биоценозах невозможно изучать каждыйбиологический компонент по отдельности.
Например, в 1 см³ плодороднойпочвы обитает несколько миллиардов почвенных бактерий. Поэтому в такихприродных системах на первое место по значимости выступаютинтегральные свойства экосистем – суммарная биомасса, продукция идеструкция на конкретных трофических уровнях. Без знания количественных1311IID2закономерностей изменения интегральных показателей состоянияэкосистемы нельзя описать поведение всей системы во времени ипрогнозировать ее развитие.Естественное равновесие означает, что экосистема сохраняет свое стабильноесостояние и некоторые параметры неизменными, несмотря на воздействиефакторов внешней среды. Так как экосистема представляет собой открытуюсистему, то ее устойчивое состояние означает, что поступление вещества ипоток энергии на входе и выходе сбалансированы.Под воздействием на экосистему внешних факторов она переходит от одногосостояния равновесия к другому.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
