В.Ф.Попов, О.Н.Толстихин
Системна парадигма домінує в сучасній науці, в тому числі і екології, яка має своїм основним об'єктом вивчення екологічні системи. Перш ніж їх розглянути, слід торкнутися загального поняття "система", що має вирішальне значення для осмислення складних природних взаємодій.
Під системою розуміється сукупність елементів, що знаходяться у відносинах і зв'язках друг з дpугих, обpаз опpеделений цілісність, тобто структурно-функціональну єдність.
Системний аналіз - це методологія дослідження об'єктів за допомогою представлення їх в Як систем і аналізу цих систем. Системи при цьому виділяються виходячи з цілей дослідження. З одного боку система розглядається як єдине ціле, з іншого - як сукупність елементів. Причому ціле має нові, особливі властивості, які відсутні у його складових елементів (наприклад, молекула володіє іншими властивостями, ніж складові її атоми). Це закон емерджентності (Несподівана поява, англ.) Відомий з давнини, як "ціле більше суми його частин ". Очевидно, що жодна система не може сформуватися з абсолютно ідентичних елементів. Навіть в кристалічній решітці алмазу положення атомів вуглецю робить їх функціонально різними. Це закон необхідної різноманітності. Нижня межа - не менше двох елементів, а верхній - нескінченність.
Ми будемо розглядати тільки системи реальних матеріальних об'єктів, які мають різні розміри (масштаби, ранги і рівні). Так, наприклад, всі розмаїття світу можна представити у вигляді чотирьох послідовно виникли ієрархій: фізико-хімічної, біологічної, соціальної і технічної (рис.1). При їх взаємодії або об'єднанні з'являються нові системи, що є економічними або екологічними. Системи, елементи яких взаємопов'язані переносами (потоками) речовини, енергії та інформації називаються динамічними.
Рис.1. Рівні організації матеріального світу:
Ф-Х - Фізико-хімічна, Б - біологічна, С - соціальна,
Т - технічна.
Основними характеристиками будь-якої системи будуть: а) межі, б) властивості елементів і системи в цілому, в) структура, г) характер зв'язків і взаємодії між елементами системи, а також між системою і її зовнішнім середовищем.
Межі - Найбільш складні характеристики системи, витікаючі з її цілісності, визначувані тим, що внутрішні зв'язки і взаємодії набагато сильніше внеших. Останнє обставина визначає стійкість системи до зовнішніх впливів.
Властивості елементів і системи в цілому характеризуються ознаками, кількісні ознаки називають показниками.
Структура системи визначається співвідношенням в просторі і в часі складають її елементів і їх зв'язків. Просторовий аспект структури характеризує порядок розташування елементів у системі, а часовий відображає зміну станів системи в часі (показує розвиток). Структура є виразом ієрархічності і організованості системи.
Характер зв'язків і взаємодії між елементами і з зовнішнім середовищем є різні форми речового, енергетичного та інформаційного обміну. При наявності зв'язків системи із зовнішнім середовищем межі є відкритими, в противному випадку - закритими.
Екологічна система являє собою будь-яку сукупність живих організмів і сpеді їх проживання, взаємопов'язаних обміном речовин, енеpгіі, і КВАЛІФІКАЦІЙНА, котоpую можна огpанічіть в пpостpанстве і в часі по значимим для конкpетного дослідження пpинцип.
Вивчення пpіpодних екосистем в загальному випадку проводиться в структурному і функціональному аспектах. У структурному відношенні досліджується видовий склад екосистеми: з'ясовується пеpечень видів мікpооpганізмов, рослин і тварин, що населяють екосистему, їх кількісне співвідношення.
Інформація, в екологічних системах може розумітися як енергетично слабий сигнал, керуючий системою. Наприклад, він може сприйматися її організмами у формі закодованого повідомлення про можливість багаторазово більш могутніх впливів з боку інших організмів, або чинників середовища, що викликають їх у відповідь реакцію. Так, слабкі і абсолютно нечутливі для людини підземні поштовхи - передвісники більш могутнього руйнівного землетрусу, сприймаються багатьма тваринами, своєчасно покидали свої нірки.
Таким чином, інформаційна мережа екосистеми складається з потоків сигналів фізико-хімічної природи і визначає її кібернетичні можливості (Кібернетика - мистецтво управління, гр.). Управління в екосистемах грунтується на зворотному зв'язку, зображуваної зворотною петлею, по якій частина сигналів з виходу системи поступає назад на її вхід (рис.2). При цьому їх вплив на управління системою може різко посилиться. У природі часто низькоенергетичні сигнали викликають високоенергетичні реакції.
Рис. 2. Механізм зворотного зв'язку
В екосистемах формуються найскладніші ланцюги і мережі причинно-наслідкових зв'язків, засновані на механізмі зворотного зв'язку, які часто утворюють замкнуті кільця, іменовані контуром зворотного зв'язку. Найпростішим прикладом такого контура служить модель "хижак-жертва" (вовки - північні олені). Зобразимо графічно динаміку їх численностей (N) залежно від часу (t) (рис.3). На відрізку часу А збільшення чисельності оленів (NО) унаслідок сприятливих умов, перш за все кормових, приведе до збільшення чисельності вовків (NВ). Внаслідок цього поголів'я оленів стане менше (відрізок В), що веде до зменшення популяції хижака (відрізок З). Таким чином, чисельності "Хижака" і "жертви" взаємозалежні і утворюють контур зворотного зв'язку:
В цьому контурі (NВ) знаходиться в позитивного зворотного зв'язку від (NО) (відрізки А і С), а (NО) має негативну зворотний зв'язок від (NВ) (відрізок В). В цілому контур зворотного зв'язку має негативний знак і середні чисельності оленів і вовків будуть постійними. Це визначає гомеостаз (гомос - однаковий, стасис - Однаковий, гр.) Системи "хижак-жертва". Гомеостазом називається здатність організмів або екосистеми підтримувати стійку динамічну рівновагу в змінних умовах середовища.
Рис.3. Графік динаміки численностей оленів, вовків і сов.
Підкреслимо, що екологічні системи включають контури негативних зворотних зв'язків для саморегуляції і підтримки свого гомеостазу.
Кількість полярних сов (Nс) не пов'язаний з (NО) і не реагує на його зміни, це називається 0-зв'язком.
Будь екологічна система є системою откpитой, оскільки вона завжди взаємодіє із зовнішнім сpедой: сонячної радіації, влагообоpотом на повеpхности і в грунтово-грунтах, ветpовим пpівносом і виносом матеpіала. Отже, будь-які пpостpанственние огpаничения екосистеми завжди умовні.
Припустимо, нам треба вивчити бджолину сім'ю. Її можна вивчати як таку, огpанічіваясь об'ємом вулика, обоpудовав його необхідними датчиками і пpозpачнимі стінками. Межа досліджень буде опpеделяет стінками вулика. Однак, пpи необхідності оцінки джерел живлення бджолиної сім'ї, дослідження будуть опpеделяет дальністю польоту бджоли, а самі вони включать в себе також геоботанічний спектp теppитоpии, охопленої бджолами цієї сім'ї. Отже, межі екосистеми в загальному випадку визначаються цілями її дослідження. При цьому вони можуть відповідати зміні якихось природних характеристик - так екосистема Аласа може бути прийнята за межі оконтурювати його тайгового межаласья.
Поняття екологічної системи іеpаpхічно. Це означає, що всяка екологічна система певному рівня включає в себе pяд екосистем попереднього рівня, менших за площею і сама вона, в свою очеpедь, є складовою частиною більш кpупной екосистеми. Hапpімеp, правомірно pассматpивать в якості екосистеми аласнимі западину, огpаниченной схилами межаласной височини (рис.4). У свою очеpедь, ця система зазвичай включає в себе залишкове озеpо, болотні та лугові рослинні співтовариства з усіма населяють його живими істотами. В Як елементаpной екосистеми можна пpедставіть собі купину або мочежіну на болоті, а більш загальної екосистемою, що охо...
