Реферат Теория сложных систем в экологии (1092089), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Такое состояние называется устойчивымравновесием. По многочисленным данным, экологическая обстановка нанашей планете не всегда была одной и той же. Более того, она испытываларезкие перемены всех ее компонентов. Это можно продемонстрировать напримере появления кислорода в атмосфере. Известно, что ультрафиолетовоеизлучение Солнца, губительное для живых организмов, породилохимическую эволюцию, благодаря которой возникли аминокислоты. Подвоздействием ультрафиолетового излучения процессы разложения водяногопара привели к образованию кислорода и создали слой озона, которыйпрепятствовал проникновению ультрафиолетовых лучей на поверхностьЗемли.
До тех пор, пока не было атмосферного кислорода, жизнь могларазвиваться только под защитой слоя воды, который был ограниченглубиной, на которую проникали солнечные лучи. Под воздействиемдавления отбора появились фотосинтезирующие организмы, которыесинтезировали органическое вещество и кислород. Первые многоклеточныеорганизмы появились после того, как содержание кислорода в атмосфередостигло 3 % от современного содержания. Образование атмосферы,содержащей кислород, привело к новому состоянию устойчивого равновесия.Благодаря способности зеленых растений водных экосистем продуцироватькислород в количествах, превышающих их потребности, создались условиядля возникновения жизни на суше и быстрого заселения организмами всейповерхности Земли. Это в свою очередь создало условия, при которыхпотребление и образование кислорода уравнялось и достигло отметки 20 %.Затем наблюдались колебания отношений кислорода к углекислому газу, и,вероятно, на определенной стадии развития произошло повышениесодержания углекислого газа в атмосфере, что послужило толчком кобразованию ископаемого топлива.
Далее соотношение кислорода иуглекислого газа опять пришло в колебательное стационарное состояние.14IID11Бурное развитие промышленности, деградация и преобразование человекомэкосистем, сжигание ископаемого топлива и в результате – избыточноеобразование углекислого газа может опять сделать это соотношениенестабильным.2Следовательно, равновесие является неотъемлемым элементомфункционирования природы, с которым человек должен считаться как собъективным законом природы, значение которого он только начинаетосознавать.По виду обмена веществом и энергией с окружающей средой системыклассифицируют следующим образом: 1) изолированные системы (обменневозможен); 2) замкнутые системы (обмен веществом невозможен, а обменэнергией может происходить в любой форме); 3) открытые системы(возможен любой обмен веществом и энергией).Системы, которые взаимосвязаны потоками вещества, энергии иинформации, носят название динамических.
Любая живая системапредставляет собой динамическую открытую систему.Принцип эволюции: возникновение, существование и развитие всехэкосистем обусловлено эволюцией. Динамические самоподдерживающиесясистемы эволюционируют в сторону усложнения и возникновения системнойиерархии (образование подсистем).
Эволюция любой экосистемы ведет кувеличению суммарного потока энергии, проходящей через нее. Сувеличением разнообразия и сложности системы происходит ускорениеэволюции, что выражается в более быстром прохождении ступеней,эквивалентных по качественным сдвигам.Одним из основных свойств системы является иерархическаясоподчиненность элементов. Так, элементарной единицей в экологиисчитают особь популяции, совокупность особей образует элементарнуюподсистему – популяцию, а совокупность популяций, выполняющихсходную функциональную роль в экосистеме, образует следующуюподсистему – ассоциацию, или сообщество. В соответствии с этимиэлементами различают экологию популяций, экологию сообществ, экологиюбиоценозов.
Для понимания целостных свойств экосистем важно изучениесвязей между образующими ее элементами, определяющихфункционирование экосистемы как единого целого.15IID11Все без исключения экосистемы и даже самая крупная – биосфера – являютсяоткрытыми, поэтому для своего функционирования они должны получать иотдавать энергию.
По этой причине концепция экосистемы должнаучитывать существование связанных между собой и необходимых дляфункционирования и самоподдержания потоков энергии на входе и выходе,то есть реальная функционирующая экосистема должна иметь вход и, вбольшинстве случаев, пути оттока переработанной энергии и веществ.2Масштабы изменений среды на входе и выходе варьируются и зависят от:- размеров системы: чем она меньше, тем больше зависит от внешнихвоздействий;- интенсивности обмена: чем интенсивнее обмен, тем больше приток и отток;- сбалансированности автотрофных и гетеротрофных процессов: чем сильнеенарушено это равновесие, тем больше должен быть приток энергии извне;- стадии развития системы: молодые системы отличаются от зрелых.Энергия солнечного света поступает в экосистему, где фотоавтотрофнымиорганизмами превращается в химическую энергию, используемую длясинтеза органических соединений из неорганических.
Поток энергиинаправлен в одну сторону: часть поступающей энергии Солнцапреобразуется сообществом и переходит на качественно более высокуюступень, трансформируясь в органическое вещество, которое представляетсобой более концентрированную форму энергии, чем солнечный свет;большая же часть энергии проходит через систему и покидает ее. Впринципе, энергия может накапливаться, затем высвобождаться илиэкспортироваться, как показано на схеме (рис.2), но не может использоватьсявторично.Рис.216IID11В отличие от энергии элементы питания и вода, необходимые для жизни,могут использоваться многократно.
После отмирания живых организмоворганические вещества разлагаются и опять превращаются в неорганическиесоединения. В совокупности экосистему можно представить как единоецелое, в котором биогенные вещества из, абиотического компонентавключаются в биотический и обратно, то есть происходит постоянныйкруговорот веществ с участием живого (биотического) и неживого(абиотического) компонентов.21711IIDПрямые и обратные связи2Для стабильного и длительного функционирования экосистемы особенноважное значение имеют обратные связи, обеспечивающие ее саморегуляциюи саморазвитие. Поэтому независимо от вида системы ее функционированиевозможно только при наличии прямых (взаимная стимуляция роста иразвития организмов) или обратных (например, угнетение развитияпопуляции в результате давления хищника) связей.В саморегулирующихся системах, к которым относятся и экосистемы,важная роль принадлежит отрицательным обратным связям.
На принципеотрицательной обратной связи базируются все механизмы физиологическихфункций в любом организме и поддержание постоянства внутренней среды ивнутренних взаимосвязей любой саморегулирующейся системы.Рассмотрим это положение на примере самоочищения водоемов. Допустим,что под влиянием внешних факторов (поступление в водоем плодороднойпочвы и элементов питания) началось усиленное развитие фитопланктона.Это приводит к усилению роста зоопланктона и уменьшению концентрацииминеральных веществ, что способствует более быстрому выеданиюфитопланктона и уменьшению его роста.
Через некоторое время происходитснижение размножения животных из-за недостатка пищи. Временноеувеличение биомассы гидробионтов ведет к нарастанию массы детрита,который, являясь пищей для бактерий, вызывает их усиленное размножение.Бактерии, в свою очередь, разлагают детрит и тем самым высвобождаютэлементы питания. Таким образом, цикл замыкается и в водоеме вновьпоявляются условия для усиленного развития фитопланктона. Система вцелом имеет отрицательный обратный знак.Положительные обратные связи, наоборот, не способствуют регуляции, авызывают дестабилизацию систем, приводя их либо к угнетению и гибели,либо к ускорению роста, за которым, как правило, следуют срыв иразрушение. Например, в любом растительном сообществе плодородиепочвы, урожай растений, количество отмерших растительных остатков иобразовавшегося гумуса составляет контур обратных положительных связей.Такая система находится в неустойчивом равновесии, так как потеря почвы иэлементов питания в результате эрозии или изъятие части урожая безвозмещения выноса питательных веществ дает толчок к снижениюплодородия почв и продуктивности растений.
С этим явлением столкнулись18IID11наши предки в эпоху подсечно-огневого земледелия, когда в результатеизъятия продукции без возмещения выноса резко снижалось плодородиепочв, что вынуждало людей оставлять одни участки и осваивать новые.2В сложных экосистемах всегда имеется сочетание контуров обоих знаков. Вслучае наличия контуров с большим числом связей реализуется правило,которое гласит: при четном числе последовательных отрицательных связейконтур приобретает положительную обратную связь (минус и минус даютплюс). Однако развитие и устойчивое функционирование экосистем в итогеопределяется наличием контуров обратной связи. Для изменения поведениясистемы важное значение имеет добавление или изъятие связей, которыемогли бы изменить знак системы.Таким образом, составляющие экосистемы – это поток энергии, круговоротвеществ, биотический и абиотический компоненты и управляющие петлиобратной связи.1911IIDЭкологические законы, характеризующие функционированиеэкосистем:21.Любая природная система может развиваться только за счет использованияматериально-энергетических и информационных возможностей окружающейсреды.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
