Системные свойства экосистем

Конспект по экологии

Понятие системы лежит в основе экологии, поскольку главный объект экологии - экосистема. Существуют некоторые общие принципы, позволяющие составить единую платформу для изучения технических, биологических и социальных систем.

Согласно общей теории систем система - это некая реальная или мыслимая совокупность частей (элементов) со связями (взаимодействиями) между ними. Обычно система определяется как совокупность объектов, объединенных для выполнения заданной функции. Все системы обладают некоторыми общими свойствами:

1. Каждая система имеет определенную структуру, определяемую формой пространственно-временных связей или взаимодействий между элементами системы.

2. Система не может состоять из элементов, лишенных индивидуальности, абсолютно идентичных; для любой системы справедлив принцип необходимого разнообразия элементов. Нижний предел разнообразия – не менее двух элементов (протон и электрон, болт и гайка, белок и нуклеиновая кислота, «он» и «она»), верхний – бесконечность. Разнообразие зависит от числа разных элементов, составляющих систему, и может быть измерено.

3. Свойства системы невозможно понять лишь на основании свойств ее частей. Решающее значение имеет именно связь или взаимодействие между элементами системы. По отдельным деталям машины перед сборкой нельзя судить о ее действии. Независимое рассмотрение законов человеческого общества и законов биоэкологии 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.

Эмерджентность – это наличие у целостной системы особых свойств, не присущих ее подсистемам или элементам.

Эмерджентные свойства экологической системы представляют собой не простой переход количества в качество, а являются особой формой интеграции, подчиняющейся иным законам формообразования, функционирования и эволюции. Такие качественно новые, эмерджентные свойства экологического уровня или экологической единицы нельзя предсказать, исходя из свойств компонентов, составляющих этот уровень или единицу. Хотя данные, полученные при изучении какого-либо уровня, помогают при изучении следующего, с их помощью никогда нельзя полностью объяснить явления, происходящие на этом уровне: он должен быть изучен непосредственно. Например, молекула обладает иными свойствами, чем составляющие её атомы, в то время как скопление атомов, не объединённых в молекулы, не даст представления о качестве молекулы, а механическое сосредоточение всех необходимых для построения организма молекул, даже отдельных органов, не дает качества организма. Принцип эмерджентности имеет важное значение для экологического мышления: одно дерево не может составить леса, разрозненные деревья - тоже; лес возникает лишь при определенных условиях – достаточной густоте древостоя, соответствующей флоре и фауне, сформированных сообществах взаимосвязанных организмов, живущих на данной территории, и при других условиях, то есть эмерджентные свойства возникают в результате изменения природы этих компонентов, а не в результате изменения количества этих компонентов. Части не склеиваются, а интегрируются, обусловливая появление новых, до этого отсутствовавших свойств.

4. 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 не возможен);

- замкнутые системы (невозможен обмен веществом, но обмен энергией возможен);

- открытые системы (возможен обмен и веществом, и энергией).

В природе существуют только открытые системы. Системы, между внутренними элементами которых и элементами среды осуществляются переносы вещества, энергии и информации, носят название динамических систем. Любая живая система – от вируса до биосферы – представляет собой открытую динамическую систему

5. Преобладание внутренних взаимодействий в динамической системе над внешними определяет ее устойчивость, способность к самосохранению. Внешнее воздействие на систему, превосходящее силу и гибкость ее внутренних взаимодействий, приводит кнеобратимым изменениям и гибели системы. Подобно этому внешнее воздействие на биологическую систему, превосходящее силу ее внутренних связей и способность к адаптации, приводит к необратимым изменениям и гибели системы. Устойчивость динамической системы поддерживается непрерывно выполняемой ею внешней циклической работой («принцип велосипеда»). Для этого необходимы проток и преобразование энергии в системе.

6. Действие системы во времени называют ее поведением. Изменение поведения под влиянием внешних условий обозначают как реакцию системы, а качественное изменение реакции системы – как ее приспособление, или адаптацию. Закрепление адаптивных изменений структуры и связей системы во времени рассматривается как ее развитие или эволюция. Возникновение и существование всех материальных систем в природе 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.

7. С возрастанием иерархического уровня системы возрастает и сложность ее структуры и поведения. Сложность (порядок) системы H_n определяется числом связей n между ее элементами: H_n = lg n.

Обычно системы, имеющие до тысячи связей (0 < H_n < 3), относятся к простым; до миллиона связей (3 < H_n < 6) – к сложным; свыше миллиона (H_n > 6) – к очень сложным. Все реальные природные биосистемы очень сложны. Даже в структуре единичного вируса число биологически значимых молекулярных состояний превышает последнее значение.

Другой критерий сложности связан с характером поведения системы, ее реакцией на внешнее воздействие. 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 их эволюции является ускорение эволюции, все более быстрое прохождение ее стадий, равноценных по качественным сдвигам.

8. 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 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.

9. Существование систем немыслимо без связей. Последние делят на прямые и обратные. Прямой называют такую связь, при которой один элемент (А) действует на другой (В) без ответной реакции. Примером такой связи может быть действие древесного яруса леса на случайно выросшее под его пологом травянистое растение, или действие Солнца на земные процессы. При обратной связи элемент В отвечает на действие элемента А. Обратные связи бывают положительными и отрицательными. И те, и другие играют существенную роль в экологических процессах и явлениях.

Обратная положительная связь ведёт к усилению процесса в одном направлении. Пример её – заболачивание территории, например, после вырубки леса. Снятие лесного полога и уплотнение почвы обычно ведет к накоплению воды на её поверхности. Это, в свою очередь, даёт возможность поселяться здесь растениям-влагонакопителям, например, сфагновым мхам, содержание воды в которых в 25-30 раз превышает вес их тела. Процесс начинает действовать в одном направлении: увеличение увлажнения – обеднение кислородом – замедление разложения растительных остатков – накопление торфа – дальнейшее усиление заболачивания.

Обратная отрицательная связь действует таким образом, что в ответ на усиление действие элемента А увеличивается противоположная по направлению сила действия элемента В. Такая связь позволяет сохраняться системе в состоянии устойчивого динамического равновесия. Это наиболее распространённый и важный вид связей в природных системах. На них прежде всего базируется устойчивость и стабильность экосистем. Пример такой связи – взаимоотношения между хищником и его жертвой. Увеличение численности жертвы как кормового ресурса, создаёт условия для размножения и увеличения численности хищников. Они, в свою очередь, начинают более интенсивно уничтожать жертву и снижают её численность. В целом численность хищника и жертвы синхронно колеблется в определённых границах.

Одно из отрицательных проявлений деятельности человека в природе связано с нарушением этих связей, что может привести к разрушению экосистем или переходу их в другое состояние.

Таким образом, устройство природы следует рассматривать как системное целое, состоящее из вложенных одна в другую экосистем, высшей из которых является уникальная глобальная экосистема – биосфера. В её рамках происходит обмен энергией и веществом между всеми живыми и неживыми составляющими в масштабах планеты. Грозящая всему человечеству катастрофа состоит в том, что нарушен один из признаков, которым должна обладать экосистема: биосфера как экосистема деятельностью человека выведена из состояния устойчивости. В силу своих масштабов и многообразия взаимосвязей она не должна от этого погибнуть, она перейдёт в новое устойчивое состояние, изменив при этом свою структуру, прежде всего неживую, а вслед за ней неизбежно и живую. Человек как биологический вид меньше других имеет шанс приспособиться к новым быстро изменяющимся внешним условиям и, скорее всего, исчезнет первым.

Системные свойства экосистем

Рекомендуем прочитать: