Лекция № 3 Элементарные экосистемы как объект моделирования

Экосистема - (от греч. oikos— жилище и systema — объединение) - это сообщество живых организмов вместе с физической средой их обитания, объединенные обменом веществ и энергии в единый комплекс. Виды связаны не только друг с другом, но и с неживой природой. Эта связь осуществляется через вещество и энергию. Примером экосистемы может служить пруд, включающий сообщество его обитателей, физические свойства и химический состав воды, особенности рельефа дна, состав и структуру грунта, взаимодействующий с поверхностью воды, атмосферный воздух, солнечную радиацию. В экосистемах происходит непрерывный обмен энергией и веществом между живой и неживой природой. Энергия и вещество постоянно необходимы живым организмам, и они черпают их из окружающей неживой природы. Количества вещества и энергии, проходящие через живые организмы, чрезвычайно велики. Даже такой небольшой грызун, как полевая пышь, способен за свою жизнь съесть десятки килограммов зерна; рост растений сопровождается огромным потреблением воды и т. д. Совершенно ясно, что, если бы живые организмы безвозвратно заимствовали все необходимые им питательные вещества из неживой природы, ничего при этом не возвращая обратно, запасы питательных веществ на Земле иссякли бы и жизнь прекратилась. Этого не происходит, потому что питательные вещества постоянно возвращаются в окружающую среду в результате жизнедеятельности самих организмов. Поглощенные ими из окружающей среды питательные вещества претерпевают различные превращения, постепенно распадаясь на все более простые соединения, часть вторых идет на построение самого организма, а остальные в виде продуктов обмена выделяются в среду. Здесь они могут усваиваться растениями. Таким образом, возникает устойчивый круговорот веществ, решающую роль в котором играют новые организмы.

Биогеоценоз - элементарная наземная экосистема, главная форма существования природных экосистем. Этот термин ввел В.Н.Сукачев. Наземные экосистемы играют особую роль в жизни человека, поскольку урожай в них можно получать на всех трофических уровнях в отличие от водных сообществ, где используется только верхняя часть экологической пирамиды. Следовательно, особенности этих двух типов экосистем необходимо учитывать при эксплуатации природных ресурсов. В экосистемах суши продуценты (автотрофный компонент) представляют собой крупные организмы, у которых от года к году происходит накопление биомассы. Например, прирост деревьев в лесу, рост трав за сезон вегетации, созревание семян и плодов или разрастание корневой системы травянистых растений на лугах и в степях (накопление подземной биомассы). Накопленную биомассу можно изъять и в виде урожая.

При классификации наземных экосистем обычно используют признаки растительных сообществ, составляющих основу экосистем, и климатические (зональные) признаки. Так, выделяют определенные типы экосистем, например тундра лишайниковая, тундра моховая, лес хвойный (еловый, сосновый), лес лиственный (березняк), лес дождевой (тропический), степь, кустарники (ивняк), болото травянистое, болото сфагновое. Растительные сообщества (и экосистемы) обычно не имеют резких границ и переходят друг в друга постепенно при изменении природных условий. Например, на границе лесов и тундры на севере нашей страны имеется переходная зона - лесотундра. Здесь чередуются редколесья, кустарники, сфагновые болота, луга. На границе леса и степи простирается зона лесостепи. Более увлажненные участки этой зоны заняты лесом, сухие - степью. От участка к участку меняется не только состав растительности, но и животный мир, особенности вещественно-энергетического обмена между организмами и физической средой их обитания. Между крайними типами экосистем существует множество переходных вариантов, тесно связанных друг с другом.

Различные экосистемы взаимодействуют, образуя сложную структуру биосферы. В каждой наземной экосистеме есть абиотический компонент – биотоп, или экотоп – участок с одинаковыми ландшафтными, климатическими, почвенными условиями; и биотический компонент – сообщество, или биоценоз – совокупность всех живых организмов, населяющих данный биотоп. Биотоп является общим местообитанием для всех членов сообщества. Биоценозы состоят из представителей многих видов растений, животных и микроорганизмов. Практически каждый вид в биоценозе представлен многими особями разного пола и возраста. Они образуют популяцию (или часть популяции) данного вида в экосистеме. Биоценоз очень трудно рассматривать отдельно от биотопа, поэтому вводят такое понятие, как биогеоценоз (биотоп+биоценоз).

Экосистема - очень широкое понятие, применимое как к естественным (например, тундра, океан), так и к искусственным (например, аквариум) комплексам. Поэтому для обозначения элементарной природной экосистемы экологи часто используют термин «биогеоценоз» (от греч. bios- жизнь, geо- Земля, koinos- сообща, вместе). Биогеоценоз - составная часть природного ландшафта. Граница биогеоценоза устанавливается, как правило, по границе растительного сообщества (фитоценоза) — важнейшего компонента биогеоценоза (рис. 1).Все природные экосистемы (биогеоценозы) связаны между собой и вместе образуют живую оболочку Земли, которую можно рассматривать как самую большую экосистему, эта экосистема называется биосферой. Она охватывает часть атмосферы, часть литосферы и всю гидросферу. Целостное учение о биосфере создал выдающийся отечественный ученый В. И. Вернадский (1863—1945).

Рисунок 1 – Схема биогеоценозов

Между экосистемами происходит обмен живыми организмами и их зачатками (личинками, спорами, семенами и т. п.). Благодаря подвижности воздуха и воды, перепадов (градиента) температуры, диффузии газов происходит расселение растений, животных и микроорганизмов. Птицы и насекомые перемещаются во время сезонных перелётов - так же, как другие животные во время ночёвок. Вещество перемещается в виде твердых и жидких частиц. Часто минеральные элементы сдуваются ветром и смываются водой с горных пород. Обмен энергией происходит как в виде тепла, так и в виде энергии химических связей (т. е. органических соединений). По отношению к межбиоценотическим связям можно выделить три основные группы экосистем суши: Стабильные сообщества, расположенные на равнинных междуречьях, в которых вынос веществ в другие экосистемы и получение их со стороны незначительны; Мало теряющие, но много получающие биоценозы, расположенные на низких уровнях рельефа, где накапливаются большие запасы органического вещества; Много теряющие, но мало получающие экосистемы на крутых склонах. Так образуется цепь экосистем, перераспределяющая вещество и энергию в биосфере.

Любая гидробиологическая система представляет собой сложный, большой, слабо детерминированный и эволюционирующий объект исследования. Экосистемы в значительной мере соответствуют подходу, развиваемому школой И. Пригожина [Пригожин, Стенгерс, 1986], согласно которому в развитии любой системы чередуются периоды, в течение которых ее состояние может быть характеризовано то как «в основном детерминированное», то как «в основном случайное», когда дальнейшее поведение становится в высокой степени неопределенным. Эту гипотезу можно распространить и на пространственную координату, в связи, с чем некоторые участки поверхности могут восприниматься исследователем как нестационарные или «неправильные». Поэтому, вообще говоря, признаки, наблюдаемые нами в экосистеме, связаны с описываемой ими сущностью статистически, принимая во внимание, что детерминистская связь является частным случаем статистической, т.е. связью с вероятностью равной 1.Сложность биологического мира такова, что он не может быть описан короче, чем с помощью прямой записи всех наблюдаемых явлений. По меткому выражению украинского кибернетика А.Г. Ивахненко, “Лучшей моделью кошки будет другая кошка”.

Рассмотрим биологические виды, для которых потомки и предки не сосуществуют во времени (многочисленные растения, насекомые и др.). Тогда последовательные значения численности популяции можно представить N ₀, N ₁,... Если нет никаких причин ограничения численности популяции, тогда возникает простейшая очевидная модель: N_t+1 = R · N_t, где R — коэффициент воспроизводства. Решение этой модели очевидно: N_t = N₀ · R^t и при R > 1 численность популяции нарастает по геометрической прогрессии. Даже эта простейшая модель заслуживает обсуждения. Она выражает то, что в литературе иногда называют “законом Мальтуса”.необходимо учесть, что величина R монотонно спадает с ростом величины N. Реального характера этого спада мы не знаем; его можно представить множеством способов с использованием общеизвестных элементарных функций, а если надо, то и выходом из этого класса. Модель, в основу которой положена простейшая из таких функций, выглядит следующим образом:

Полезность модели следует из того, что описываемое ею поведение численности популяций многократно наблюдалось экологами в природе.

Структура и функционирование целостных систем положены в основу следующих принципов моделирования геосистем.

Принцип структурной неоднородности и однородности. Нетождественность частей целого обусловливает неоднородность компонентов геосистемы. Собственно говоря, наличие структуры связано с дифференцированностью и неоднородностью частей целого. Представления об однородности структурных компонентов геосистемы, которыми часто пользуются исследователи, являются результатом идеализации неоднородных по некоторым параметрам реальных частей системы. Реальная однородность всегда конкретна, то есть содержит в себе неоднородность. Учет реальных неоднородностей и умелое использование идеализированного представления об однородности приносит хорошие результаты в географических исследованиях.

Принцип иерархичности.

Одной из основных особенностей географических систем является их иерархичность — свойство делимости на относительно обособленные, но соподчиненные между собой, подсистемы различного ранга. Иерархия ГС обладает, в свою очередь, рядом свойств: 1) вертикальной декомпозицией (то есть вертикальные связи обусловливают многоуровневость подсистем геосистемы, и вышестоящие подсистемы включают в себя нижестоящие); 2) приоритетом действий подсистем верхнего уровня; 3) зависимостью функционирования и развития подсистем нижних уровней.

Принцип организованности географических систем.

Этот принцип тесно связан с принципом иерархичности. Структура определяется организованностью, упорядоченностью системы. Мерой упорядоченности служит высота уровня негэнтропии. Мерой дезорганизованности, беспорядка ГС является энтропия. Процесс развития геосистем, с одной стороны, ведет к увеличению неоднородности компонентов, усложнению иерархии, повышению организованности в системе, что соответствует уменьшению энтропии (увеличению негэнтропии). С другой стороны, естественный процесс неизбежно сопровождается выравниванием различных потенциалов между компонентами ГС, увеличением их однородности, понижением уровня организации, чему соответствует увеличение энтропии (понижение негэнтропии) геосистем. В замкнутыхгеосистемах, где отсутствуют исходные величины, процесс имеет одну направленность — в сторону возрастания энтропии. При этом уменьшается количество энергии, участвующей в работе ГС, происходит выравнивание различий внутри системы и разрушение ее иерархической организации. Это противоречие приводит к тому, что в открытых геосистемах отрабатывается устойчивая структура, все более четко обособляющая себя в пространстве.

Принцип территориальности предполагает учет зависимости функционирования и развития геосистем от размещения ее элементов на территории (в пространстве). Функционирование и развитие геосистемы зависит от многих других определяющих факторов, однако территориальная (пространственная) принадлежность ГС обусловливается также зависимостью ее функционирования от размещения ее элементов.
Принцип пространственного сбалансирования компонентов. Все компоненты системы увязаны в единое целое потоками вещества и (или) энергии. Однако любая ГС отличается группировкой ее составных частей. В каждой из группировок любой из компонентов системы может играть стимулирующую, нейтральную или негативную роль в процессе функционирования и развития. Поэтому важной задачей изучения ГС является анализ свойств систем, встречающихся в пространстве, и выявление адекватных им (свойствам) типов процессов. Анализировать необходимо сущность процессов, приводящих к подобному размещению свойств геосистем в пространстве, и на всех этапах исследования следует искать зависимости, возникающие в результате наложения среды и организации общественной жизни.

Принципы концентрации и комплексообразования.

Принцип концентрации элементов в географическом пространстве является отражением закона агломерации, выражающим, в свою очередь, объективную тенденцию к скоплению элементов в ограниченном пространстве. Выделяются два аспекта действия этого закона: географический и экономический. Первый, географический, аспект проявляется в формировании территориальных групп и сочетаний географических элементов в пространстве, а второй, экономический, — в том, что совместимые, компактно расположенные объекты функционируют эффективнее рассеянных. Названный принцип служит основой для реализации принципа комплексообразования в географическом, пространстве.

Принцип кратчайших путей и наименьшего сопротивления. Любое поле, создаваемое интенсивностью проявления географического процесса либо «силовым» эффектом, при определенных ситуациях обусловливает появление потоков субстанции (энергии, вещества или информации). Наличие потоков в поле напряженности связано с разнохронностью изменения во времени компонентов и их комбинаций в этом поле. Медленно изменяемые образования являются полями, быстро изменяемые — потоками, причем поток «выбирает» кратчайший путь (линия наибольшего падения градиента) и движется в направлении наименьшего сопротивления.

Целостность системы, обусловливает необходимость рассмотрения компонентов (подсистем, элементов) ГС в их взаимосвязи с одной стороны и моделирование всей системы в целом, с другой – целостность предполагает структурную сложность, неоднородность, членимость системы и моделирование отдельных ее частей.

Экология сегодня из строго биологической науки, зародившейся в недрах ботаники и зоологии, превратилась в значительный цикл знаний, вобравший в себя разделы географии, геологии, почвоведения, химии, физики и других научных дисциплин. Это биоцентричная наука, но не биология, не география и ни какая иная наука. Это новый, такой же самостоятельный раздел знаний, как и математика, физика, химия и т.д.

В этой связи и понятие экосистемы как большой супермашины собранной из большого числа объектов и существующей независимости от наблюдателя, уже устарело. Сущность экологической системы – есть упорядоченная, саморазвивающаяся и самоупровляемая целостность множества разнообразных экологических отношений, носителем которых является особь и те биосистемы и экосистемы, в которые она входит. Здесь биоценоз не состоит из особей, ценопопуляций и сообществ, а выражает сумму тех экологических связей и отношений, в которых эти особи, популяции и сообщества находятся друг к другу. Поэтому особь, или даже миллион изолированных особей, не составляют экологического явления не говоря уже о его простейшем образовании. Экологические отношения это суть многообразия формы взаимодействия и взаимосвязи, возникающие в процессе жизнедеятельности как между биосистемами и внутри них, так и между ними и геосистемами, что и приводит к возникновению экосистемам. Особь выступает в качестве универсального элемента (а не популяция или вид!), ибо каждая из перечисленных групп есть совокупность особей той или иной популяции, вида, консорции и т.д. В целом экологические отношения представляют собой объективную реальность, не зависимую от отдельных особей производящих их и воспроизводящих их в процессе своей жизнедеятельности.

Список литературы:

Осн: №1стр. 8-11, №3 §7 стр. 380-381,

Доп: №1 §1 стр.6-9, №3 стр. 14-16.

Контрольные вопросы:

1. Классификация наземных экосистем?

2. Принципы концентрации и комплексообразования.?

3. Принцип иерархичности?

4. Принцип структурной неоднородности и однородности?

5. Принцип территориальности?

6. Принцип организованности географических систем?

7. Принципы моделирования геосистем?