Лекция 2. Системы в экологии План
Понятие система лежит в основе экологии. Экологическая система – главный объект экологии, но в данном контексте речь идет не столько об экологических системах в традиционном понимании (они рассматриваются в разделе «Экосистемы»), сколько о системах вообще, преимущественно о сложных системах. Существуют общие принципы, позволяющие создать единый подход для изучения технических, экономических, биологических, социальных систем.
Согласно общей теории систем под системой понимается некая мыслимая или реальная совокупность частей (элементов) со связями (взаимодействиями) между ними. Мы рассматриваем только реальные материальные системы.
Некоторые о0бщие свойства систем:
1. Свойства систем невозможно понять лишь на основании свойств ее частей. Решающее значение имеет именно связь или взаимодействие между частями системы. Так, по отдельным деталям машины перед сборкой нельзя судить о ее действии. Изучая по отдельности некоторые формы грибов и водорослей, нельзя предсказать существование их симбиоза в виде лишайника. Независимое рассмотрение законов человеческого общества и законов биоэкологи не позволяет судить о характере взаимоотношений человека и живой природы. Степень несводимости свойств системы к свойствам отдельных элементов, из которых она состоит, определяет эмерджентность системы.
- Каждая система имеет определенную структуру. Она не может состоять из абсолютно идентичных элементов; для любой системы справедлив принцип необходимого разнообразия элементов. Нижний предел разнообразия – не менее двух элементов (болт и гайка, он и она), верхний предел – бесконечность. Разнообразие зависит от числа разных элементов, составляющих систему, и может быть измерено. В экологии оно оценивается показателем К. Шеннона:
где V – индекс разнообразия,
Hi – нормированная относительная численность i -го вида организмов в совокупности n видов/
3. Выделение системы делит ее мир на две части – саму систему и ее среду. При этом сила связей элементов внутри системы больше, чем с элементами среды. По характеру связей, в частности, по типу обмена веществом и энергией со средой в принципе мыслимы:
– изолированные системы (никакой обмен невозможен);
– замкнутые системы (невозможен обмен веществом, но обмен энергией возможен);
– открытые системы (возможен обмен и веществом и энергией).
В природе реально существуют только открытые системы. Динамическими системами называются такие, между элементами которых и элементами среды осуществляются переносы вещества, энергии, информации. Любая живая система – от вируса до биосферы – открытая динамическая система.
4. Устойчивость, способность к самоподдержанию определяется преобладанием внутренних взаимодействий над внешними. Если внешние силы, действующие на машину, больше сил механической связи между частями машины, она разрушается.
Подобно этому, если на биологическую систему совершается внешнее воздействие, которое превосходит силу ее внутренних связей и способность к адаптации, то это приводит к необратимым изменениям и система гибнет. Устойчивость динамической биологической системы поддерживается непрерывно выполняемой ею внешней циклической работой («принцип велосипеда»).
5. Действие системы во времени называют поведением системы. Изменение поведения под влиянием внешних условий обозначают как реакцию системы, а более или менее стойкие изменения реакций системы – как ее приспособление, или адаптацию. Адаптивные изменения структуры и связей системы во времени рассматривают как ее развитие, или эволюцию.
Возникновение и существование всех материальных систем обусловлено эволюцией. Самоподдерживающиеся динамические системы эволюционируют в сторону усложнения организации и возникновения системной иерархии – образования подсистем в структуре системы. При этом наблюдается определенная последовательность становления эмерджентных свойств (качеств) системы – устойчивости, управляемости и самоорганизации. Эволюция состоит из последовательного закрепления таких адаптаций, при которых проток энергии через систему и ее потенциальная эффективность увеличиваются.
6. С возрастанием иерархического уровня системы возрастает и сложность ее структуры и поведения. Сложность системы Нп определяется числом п связей между ее элементами.
Другой критерий сложности связан с характером поведения системы. Если система способна к акту решения, т.е. к выбору альтернатив поведения (в том числе и в результате случайного изменения), то такая решающая система считается сложной. Следствием увеличения сложности систем в ходе эволюции является ускорение эволюции, все более быстрое прохождение ее стадий, равноценных по качественным сдвигам.
7. Важной особенностью эволюции сложных систем является неравномерность, отсутствие монотонности. Периоды постепенного накопления незначительных изменений иногда прерываются резкими качественными скачками, существенно меняющими свойства системы. Они связаны с точками бифуркации – раздвоением, расщеплением прежнего пути эволюции. От выбора того или иного направления развития в точке бифуркации очень многое зависит, вплоть до появления и процветания нового мира веществ, организмов, социумов, или, наоборот, гибели системы. Даже для решающих систем результат выбора часто непредсказуем, а сам выбор в точке бифуркации может быть обусловлен случайным импульсом.
8. Любая система может быть представлена в виде некоторого материального подобия, знакового образа, называемого соответственно аналоговой или знаковой моделью системы. Моделирование неизбежно сопровождается некоторым упрощением, формализацией взаимосвязей в системе. Эта формализация может быть осуществлена в виде логических (причинно-следственных) и /или математических (функциональных) отношений.
Источник
Лекция 2 природные системы. Природные ресурсы
Природная среда как объект природопользования в настоящее время занимает большую часть географической оболочки Земли (в понимании В.И.Вернадского — биосферы). Географическая оболочка — самая крупная природная система в пределах нашей планеты. Она представляет собой область взаимопроникновения и взаимодействия геосфер: литосферы, атмосферы, гидросферы, педосферы, фитосферы и зоосферы, которые тесно связаны между собой в процессе обмена веществом и энергией. Только в ней существует жизнь, возникло и развивается человеческое общество. Географическая оболочка (биосфера) — очень сложная пространственная структура, состоящая из множества иерархически соподчиненных природных комплексов более низких рангов — геосистем (согласно представлениям, принятым в географии) и экосистем (согласно представлениям, сложившимся в экологии).
Геосистемы (природные территориальные комплексы, ландшафты) — закономерные сочетания взаимосвязанных биотических и абиотических компонентов, а также соподчиненных комплексов, относительно ограниченные в пространстве и функционирующие как единое целое.
Экосистемами называют совокупности живых организмов и среды их обитания, которые, взаимодействуя, образуют единое целое. Эти понятия имеют как черты сходства, так и черты различия.
Сходство между геосистемами и экосистемами выражается в общем наборе компонентов природы, близких по своим свойствам и механизмам функционирования. Они представляют собой открытые природные системы, изменяющиеся в пространстве и во времени. В их состав входят биотические и абиотические компоненты, которые тесно взаимосвязаны между собой потоками вещества и энергии. Среди этих компонентов особое место занимают воздух, вода и биота. Они определяют многие процессы, в природе (в частности, воспроизводство биологических ресурсов), наиболее мобильны и одновременно самые уязвимые (в отношении антропогенного воздействия) составные части природных систем.
Различие между геосистемами и экосистемами состоит в направленности изучаемых связей и характере выделения пространственных границ. Экосистемы — это биоцентрические системы, поэтому в них выделяют связи, направленные от факторов среды к главному компоненту — биоте, особое внимание уделяя трофическим (пищевым) цепям. Геосистемы полицентричны, в связи с чем при их изучении все компоненты природы рассматриваются как равнозначные, при этом одинаковое внимание уделяется прямым и обратным связям, т.е. охватывается более широкий круг связей и отношений.
Понятие «экосистема» не ограничено четкими пространственными рамками: оно в равной мере распространяется на каплю воды, болото или биосферу в целом.
Понятие «геосистема» (ландшафт, природно-территориальный комплекс) всегда подразумевает пространственные границы, которые выделяют на основе признаков, достаточно хорошо разработанных в географии. Для выделения границ экосистем разных иерархических уровней такие признаки в экологии пока не разработаны.
В процессе пространственной дифференциации географической оболочки (биосферы) формируются природные системы, различающиеся по размерам и сложности.
Обычно выделяют три уровня размерности этих систем:
а) планетарный (глобальный) — географическая оболочка (биосфера) в целом и ее самые крупные части (материки, океаны, климатические пояса);
б) региональный — крупные регионы, обособление которых связано с действием геодинамических и макроклиматических факторов (физико-географические страны, природные зоны, или зоноэкосистемы, ландшафтные области, или мегаэкосистемы, и др.);
в) локальный — небольшие территории, обособленные влиянием ме-зорельефа и гидроклиматическими различиями (местности, урочища, фации, или биогеоценозы). В сфере хозяйственной деятельности человека, прежде всего, оказываются системы регионального и локального уровней, испытывающие наиболее сильные антропогенные нагрузки и связанные с ними изменения природной среды.
С позиций природопользования, природные системы выполняют две главные функции:
а) жизненную — как среда для жизни и деятельности человека;
б) хозяйственную — как источник природных ресурсов и пространственная основа для экономической активности людей.
В связи с этим понятие «экосистема» целесообразнее употреблять в тех случаях, когда основное внимание обращается на охрану и использование биоты и на экологические факторы среды.
Понятие «природная геосистема» предпочтительнее применять в тех случаях, когда на первое место ставятся вопросы использования и охраны вод, воздуха, литосферы, а также ландшафтов в целом (Охрана ландшафтов, 1982). Таким образом, отражая наиболее существенные, хотя и различные стороны природных систем, оба понятия диалектически дополняют друг друга.
Источник