Понятие «экосистема» с позиции системной экологии

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине: «Экология»

на тему: «Понятие «экосистема» с позиции системной экологии»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент 3 курса ФИТ, гр. 1202

Александров Андрей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Слово "экология" образовано из двух греческих слов: "oicos", что означает дом, жилище, и "logos" - наука и дословно переводится как наука о доме, местообитании. Впервые этот термин использовал немецкий зоолог Эрнст Геккель в 1886 году, определив экологию как область знаний, изучающую экономику природы, - исследование общих взаимоотношений животных как с живой, так и с неживой природой, включающей все как дружественные, так и недружественные отношения, с которыми животные и растения прямо или косвенно входят в контакт. Такое понимание экологии стало общепризнанным и сегодня классическая экология - это наука об изучении взаимоотношений живых организмов с окружающей их средой. Это взаимодействие, во-первых, происходит в рамках определенной системы (экологической системы, экосистемы) и, во-вторых, оно не хаотично, а определенным образом организовано, подчинено законам.  Общепринятый в экологии термин «экосистема» ввел в 1935 г. английский ботаник А. Тенсли. Он считал, что экосистемы, «с точки зрения эколога представляют собой основные природные единицы на поверхности земли», в которые входит «не только комплекс организмов, но и весь комплекс физических факторов, образующих то, что мы называем средой биома, — факторы местообитания в самом широком смысле». Тенсли подчеркивал, что для экосистем характерен разного рода обмен веществ не только между организмами, но и между органическим и неорганическим веществом. Это не только комплекс живых организмов, но и сочетание физических факторов. Экосистема, или экологическая система — биологическая система, состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними. Экосистема - одно из основных понятий экологии. Для естественной экосистемы характерны три признака:

1) экосистема обязательно  представляет собой совокупность живых и неживых компонентов

2) в рамках экосистемы  осуществляется полный цикл, начиная  с создания органического вещества  и заканчивая его разложением  на неорганические составляющие;

3) экосистема сохраняет  устойчивость в течение некоторого времени, что обеспечивается определенной структурой биотических и абиотических компонентов.

Важными свойствами экосистемы также являются:

1. Континуальный характер, т.е. отсутствие четких границ. Одна экосистема постепенно переходит в другую.
2. Иерархическая организация экосистем: экосистемы представляют сложный тип систем, т.е. имеют иерархическую организацию. Большие экосистемы состоят из маленьких.
3. Экосистемы (биогеоценозы) представляют открытый тип систем. Открытость экосистемы обусловлена определяющей ролью факторов внешней среды по отношению к составу, структуре экосистемы и функциональных связей ее компонентов.
4. Низкая целостность экосистемы обусловлена тем, что составляющие ее компоненты обладают относительной самостоятельностью существования. Они могут входить в состав других экосистем. У экосистем отсутствуют материальные носители наследственной информации (подобно генам у живых организмов).

 

Таким образом, экосистема — сложная самоорганизующаяся, саморегулирующаяся и саморазвивающаяся система. Основной характеристикой экосистемы является наличие относительно замкнутых, стабильных в пространстве и времени потоков вещества и энергии между биотической и абиотической частями экосистемы. Из этого следует, что не всякая биологическая система может назваться экосистемой, например, Таковыми не являются аквариум или трухлявый пень. Данные биологические системы (естественные или искусственные) не являются в достаточной степени самодостаточными и саморегулируемыми, если перестать регулировать условия и поддерживать характеристики на одном уровне, достаточно быстро она разрушится. Такие сообщества не формируют самостоятельных замкнутых циклов вещества и энергии, а являются лишь частью большей системы. Экосистема является открытой системой и характеризуется входными и выходными потоками вещества и энергии. Основа существования практически любой экосистемы — поток энергии солнечного света, который является следствием термоядерной реакции, — в прямом (фотосинтез) или косвенном (разложение органического вещества) виде, за некоторым исключением.

С точки зрения структуры в экосистеме можно выделить:

1. климатический режим, определяющий температуру, влажность, режим освещения и прочие физические характеристики среды;
2. неорганические вещества, включающиеся в круговорот;
3. органические соединения, которые связывают биотическую и абиотическую части в круговороте вещества и энергии;
4. продуценты — организмы, создающие первичную продукцию;
5. макроконсументы, или фаготрофы, — гетеротрофы, поедающие другие организмы или крупные частицы органического вещества;
6. микроконсументы (сапротрофы) — гетеротрофы, в основном грибы и бактерии, которые разрушают мёртвое органическое вещество, минерализуя его, тем самым возвращая в круговорот.

Последние три компонента формируют биомассу экосистемы.

С точки зрения функционирования экосистемы выделяют следующие функциональные блоки организмов (помимо автотрофов):

1. биофаги — организмы, поедающие других живых организмов,
2. сапрофаги — организмы, поедающие мёртвое органическое вещество.

Данное разделение показывает временно-функциональную связь в экосистеме, фокусируясь на разделении во времени образования органического вещества и перераспределении его внутри экосистемы (биофаги) и переработки сапрофагами. Между отмиранием органического вещества и повторным включением его составляющих в круговорот вещества в экосистеме может пройти существенный промежуток времени, например, в случае соснового бревна, 100 и более лет.

Все эти компоненты взаимосвязаны в пространстве и времени и образуют единую структурно-функциональную систему.

 

Впечатляющие успехи в развитии науки и техники на какое-то время создали иллюзию полной независимости человека от природы, подвластности всего окружающего человеку. В последнее время на смену таким представлениям приходит общественное осознание кровной заинтересованности человечества во всем, что происходит в окружающем его мире живого, познание необходимости не «покорения природы», а разумной ее эксплуатации. Характерной чертой новой системы взглядов на взаимоотношения человека с природой является понимание возможности необратимых последствий нашей деятельности и вытекающая отсюда острая потребность в прогнозировании, предсказании непосредственных и более отдаленных результатов нашего вмешательства в «естественный порядок вещей».

Существует несколько подходов к предсказанию поведения сложных систем: использование интуиции и богатого опыта исследователя, сравнение с данными экспериментов, проделанных на тождественных или похожих системах, и, наконец, математическое моделирование. В экологических исследованиях должны использоваться — и используются — все возможные подходы. Однако в наше время масштабы и характер вмешательства человека в природные экосистемы столь беспрецедентны, что интуиция исследователя сплошь и рядом отказывает. Возможности же экспериментирования с природными экосистемами по понятным причинам более чем ограниченны. Отсюда ясными становятся важность и актуальность математического моделирования в экологии.

Задача системной экологии состоит в описании принципов, упрощений и абстракций, к которым необходимо научиться сводить многообразие реального мира природы, прежде чем приступить к построению его математических моделей. В этом случае моделирование следует считать специфическим методом системной экологии, с помощью которого исследуются законы функционирования и развития экосистем во времени и пространстве.

Эффективное осуществление методологии системного подхода стало возможным только в середине 60-х гг., когда в распоряжение экологов поступили мощные ЭВМ и были разработаны методы моделирования сложных динамических систем, главным образом в аэрокосмических и технических исследованиях, которые в совокупности получили название системного анализа.

Экологические сообщества с их бесчисленными и порой едва уловимыми взаимодействиями между отдельными видами ресурсов, особями и популяциями чрезвычайно сложны по своей природе. Даже взаимодействие между хищником и жертвой (простейшая ситуация) является достаточно сложным: необходимо учитывать такие факторы, как степень голодания, поиск, преследование и новая функциональная реакция, пространственное и временное разделение и т.п.

Экологи создают модели сложных экосистем на ЭВМ на допущении разнообразных взаимодействий между компонентами этих систем. Используя фактический материал по влиянию каждого компонента экосистемы на остальные, они пытаются создать, по возможности, реалистические модели экосистем, чтобы можно было предсказывать их реакцию на те или иные воздействия. Поскольку в этом случае системный подход по сути дела является описательным и дедуктивным, сфера его приложений ограничена, т.к. нельзя предсказать точно поведение системы за пределами их состояний, которые имеются в исходных данных по взаимодействию между биотопами. Но, с другой стороны, это позволяет планировать дальнейшие исследования, акцентировать внимание на наиболее важных факторах и особенностях биосистемы.

Мы будем понимать под системным анализом упорядоченную и логическую организацию данных и информации в виде моделей, сопровождающуюся строгой проверкой и анализом самих моделей, необходимыми для их верификации и последующего улучшения.

Системный анализ включает несколько основных этапов:

·    выбор проблемы;

·    постановка задачи и ограничение ее сложности;

·    установление иерархии целей и задач;

·    выбор путей решения задачи;

·    моделирование;

·    оценка возможных стратегий;

·    внедрение результатов.

Вопреки представлениям многих экологов, системный анализ не есть какой-то математический метод и даже группа математических методов. Это широкая стратегия научного поиска, которая, конечно, использует математический аппарат и математические концепции, но в рамках систематизированного научного подхода к решению сложных проблем. По существу системный анализ организует наши знания об объекте таким образом, чтобы помочь выбрать нужную стратегию или предсказать результаты одной или нескольких стратегий, которые представляются целесообразными тем, кто должен принимать решения. В наиболее благоприятных случаях стратегия, найденная с помощью системного анализа, оказывается «наилучшей» в некотором определенном смысле. Поскольку системный анализ представляет собой скорее способ мышления, нежели определенный набор рецептов, приведенный выше перечень этапов должен рассматриваться только как руководство к действию. При решении конкретных задач некоторые этапы могут быть исключены или изменен порядок их следования, иногда придется повторить эти этапы в различных комбинациях. Цель описанного выше многоэтапного системного анализа состоит в том, чтобы помочь выбрать правильную стратегию при решении практических задач, в данном случае в области экологии. Структура этого анализа направлена на то, чтобы сосредоточить главные усилия на сложных и, как правило, крупномасштабных проблемах, не поддающихся решению более простыми методами исследования, например наблюдением и прямым экспериментированием. Из-за сложности проблем, для решения которых применяется системный анализ, предполагается использование ЭВМ для обработки и анализа данных, моделирования и выбора альтернативных решений. Однако ни использование ЭВМ, ни привлечение математического аппарата не является основной особенностью системного анализа как такового.

Определив в общих чертах, что такое системный анализ, выясним, почему мы вынуждены использовать его в экологии. Отчасти дело здесь в относительной сложности экологии как науки, имеющей дело с разнообразными взаимодействиями между огромным количеством организмов. Почти все эти взаимодействия динамические в том смысле, что они зависят от времени и постоянно изменяются. Более того, взаимодействия часто имеют ту особенность, которую в технике называют обратной связью, т.е. характеризуются тем, что некоторые эффекты процесса возвращаются к своему источнику или к предыдущей стадии, в результате чего эти эффекты усиливаются или видоизменяются. Обратные связи бывают положительными (усиление эффекта) и отрицательными (ослабление эффекта). Сама обратная связь может быть достаточно сложной, включая в себя ряд положительных и отрицательных эффектов, а последствия могут зависеть от факторов внешней среды. Примером может служить кривая Рикера (1979) между родительским стадом и пополнением молодью, которая используется во многих моделях водных экосистем.

Сложность экосистем, однако, не ограничивается наличием разнообразных взаимодействий между организмами. Живые организмы сами изменчивы – это одна из важнейших их особенностей. Эта изменчивость может проявляться либо при взаимодействии организмов друг с другом (например, в процессе конкуренции или хищничества), либо в реакции организмов (коллективной или индивидуальной) на условия окружающей среды. Она может заключаться в изменении скорости роста и воспроизводства или даже в различной способности к выживанию в сильно различающихся условиях. Когда к этому добавляются происходящие независимо изменения таких факторов среды, как климат и характер местообитания, исследование и регулирование экологических процессов и экологических систем превращаются в трудную задачу. В результате анализ даже относительно неизменной экологической системы весьма сложен. Традиционная стратегия эколога в таких условиях состоит обычно в том, что он обращает свое внимание на малые подмножества реальной проблемы. Так, многие исследователи ограничивались анализом поведения отдельных организмов в относительно простых местообитаниях, либо конкуренции между двумя или тремя видами. Особенно популярный тип исследований – это анализ отношений между одним хищником и одной жертвой. Везде была задача упростить исследования, чтобы можно было использовать методы, исключая потенциальные источники изменчивости. Но даже после этого взаимоотношения между рассматриваемыми организмами оставались достаточно трудными для моделирования и анализа. делирования и анализа. Когда в экологическом исследовании рассматриваются эффекты намеренного воздействия на экологические системы, тем самым вводится еще одно измерение изменчивости и взаимодействия. Например, в принципиальных вопросах прикладной экологии лесоводства и земледелия или рыболовства для некоторого упрощения обычно рассматривают поведение лишь одной культуры, вида, однако подобные исследования почти ничего не говорят нам о том, как будет вести себя система как целое в ответ на изменения, вызванные хозяйственной деятельностью человека. В частности, влияние данной культуры на почву и на другие виды, входящие в состав той экосистемы, в пределах которой произрастает данная культура, изучается довольно редко в основном из-за трудностей проведения экспериментов, которые нужно поставить, чтобы проверить правильность гипотез необходимой степени сложности. Еще труднее распространить идеи комплексного подхода на экологические эффекты, возникающие, например, при землепользовании или эксплуатации морских экосистем, где рассматривается несколько альтернативных стратегий развития и управления биосистемой и средой.По всем этим причинам, т.е. из-за внутренней сложности экологических взаимосвязей, характерной для живых организмов изменчивости и очевидной непредсказуемости результатов постоянных воздействий на экосистемы со стороны человека, экологу необходимо упорядочить и логически организовать свои исследования, которые уже выходят за рамки последовательной проверки гипотез. Прикладной системный анализ дает возможную схему такой организации – схему, в которой экспериментирование является составной частью процесса моделирования системы, так что сложность и изменчивость сохраняются в той форме, в которой они поддаются анализу. Специалисты по системному анализу не объявляют свой подход к решению сложных проблем единственно возможным, но считают, что это самый эффективный подход. Если бы был иной, они бы им воспользовались. Есть, однако, и еще одно основание для применения системного анализа в экологии. По самой своей природе экологическое исследование часто требует больших масштабов времени. Например, исследования в области земледелия, садоводства или рыболовства связаны с определением урожайности, а урожай собирается раз в год, так что один цикл эксперимента занимает один год и более. Для лососевых хозяйств цикл горбуши – два года, кеты – 4–5 лет. Чтобы найти оптимальное количество удобрений и провести другие возможные мероприятия по окультуриванию, может понадобиться несколько лет, особенно когда рассматривается взаимосвязь с погодой. В лесоводстве из-за длительного круговорота урожаев древесины самый непродолжительный эксперимент занимает 25 лет, а долговременные эксперименты могут длиться от 40 до 120 лет. Аналогичные масштабы времени часто необходимы и для проведения исследований по управлению природными ресурсами. Все это требует извлекать максимальную пользу из каждой стадии экспериментирования, и именно системный анализ позволяет построить нужную схему эксперимента.Современное состояние экологии как науки с ее крайней рассредоточенностью научных усилий настоятельно требует введения некоей объединяющей концепции (теории, как правило несовместимы, не изучена правомочность допущений и т.д.). В данном случае системный анализ можно рассматривать как альтернативные гипотезы, при этом сам системный анализ часто будет подсказывать, какие контрольные эксперименты необходимо провести, чтобы сделать выбор. Наконец нам нужно внимательно рассмотреть природу тех моделей, которые мы собираемся строить для описания экологических отношений. Обычно мы не осознаем, как велика роль функциональных моделей физики и техники в формировании наших представлений о взаимосвязях различных физических явлений.