Лекции - Общая экология - файл n9.doc

Лекции - Общая экология
скачать (128.1 kb.)
Доступные файлы (13):
n1.doc42kb.07.10.2002 20:04скачать
n2.doc35kb.03.04.2004 22:41скачать
n3.doc40kb.19.10.2002 21:32скачать
n4.doc59kb.17.03.2005 17:37скачать
n5.doc46kb.05.06.2007 02:39скачать
n6.doc79kb.05.06.2007 02:40скачать
n7.doc61kb.05.06.2007 02:40скачать
n8.doc38kb.05.06.2007 02:39скачать
n9.doc82kb.22.11.2002 21:50скачать
n10.doc46kb.16.10.2003 21:11скачать
n11.doc54kb.03.04.2004 22:40скачать
n12.doc29kb.16.10.2003 21:31скачать
n13.doc21kb.16.11.2004 02:14скачать

n9.doc





Лекция 5 Экосистемы. Основные законы и принципы экологии.

Структура биосферы
Как и любая наука, экология имеет свои законы. В настоящее время их общее число достигает 250. Из этих обобщений есть твердые теоретические постулаты, часть сформулированных обобщений рассматриваются как аксиомы, теоремы, часть - как гипотезы и так далее (афоризмы, метафоры, догмы). Среди законов природы встречаются обычные в науке законы, которые жестко регулируют взаимоотношения между компонентами экосистемы, но большинство представляет собой законы как тенденции, которые действуют не во всех случаях. Они напоминают в каком - то смысле юридические законы, которые не противоречат развитию общества, если нарушаются изредка, но мешают нормальному развитию, если нарушения становятся массовыми.

Структурно и логически обобщить весь объем теоретических знаний очень сложно, поэтому в курсе лекций рассматриваются лишь общесистемные законы, по следующим разделам:

-сложение экосистем

- внутреннее развитие экосистем

- термодинамика (энергетические законы) экосистем

- иерархия экосистем

Законы сложения экологических систем




Простейшее определение системы – совокупность взаимодействующих элементов, составляющих некое более или менее ограниченное целостное единство, в котором связи взаимодействия между элементами внутри системы сильнее, чем с внешними. Полное развернутое определение экологической системе дано на стр.




Группа законов о сложении систем дает представление об образовании таких совокупностей.

Один из таких законов это закон подобия части и целого. «Часть является миниатюрной копией целого, по этому все части одного уровня иерархии похожи друг на друга». Например, модель атома и солнечной системы: организм, состоящий из многих клеток и одноклеточный, при этом каждая клетка генетически представляет модель целого многоклеточного организма. Закон подобия части и целого не абсолютен. Электрон не может быть моделью организма. Этот закон справедлив при изучении структур одного уровня иерархии.


Закон подобия части и целого не говорит об их абсолютной идентичности. Наоборот существует аксиома эмерджентности: «Целое всегда имеет особые свойства, отсутствующие у него частей (подсистем), и не равно сумме элементов, объединенных системообразующимися связями».

При сложении системного целого образующая интеграция подчиняется иным закона формирования, функционирования и эволюции. Например, дерево или группа деревьев - это еще не лес. Для леса необходимо сочетание всех его экологических компонентов, составляющих именно его экосистему, образование круговоротов веществ, микроклимат и т.д.

При всей очевидности аксиомы эмерджентности ее не всегда учитывают в практической деятельности.

Ни какая система не может быть сформирована из абсолютно идентичных элементов. Отсюда вытекает закон необходимого разнообразия: для каждого типа систем необходимое разнообразие количественно различно. Нижний предел не менее двух элементов, верхний предел – бесконечность.

Системные образования состоят из подсистем. Их необходимое число, разнокачественность более или менее постоянны. Для простейших систем это очевидно, например, два атома кислорода дают кислород, три – азот, а вот для более сложных систем ясность теряется. Например, каково должно быть число и разнокачественность функциональных составляющих биотического сообщества? В общем виде ответ несколько неожиданный: столько, сколько необходимо для его формирования, много но не строго фиксировано и различно в зависимости от географического места, среды жизни и других факторов.

Эта неопределенность отражается в законе (правиле) полноты составляющих: число функциональных составляющих системы и связей между ними должно быть оптимальным – без недостатка или избытка в зависимости от условий среды или типа системы.

Жесткие системы строго фиксированы, например, молекула вещества состоит из определенного числа атомов. Четкие лимиты характерны для всех систем, но экологические их модификации не теряют функциональных черт при довольно большом разбросе числа составляющих. Для большинства экосистем характерны даже колебания количества входящих видов, но размах колебания ограничен законом необходимого разнообразия.

Колебания числа составляющих подчиняются действию закона избыточности системных элементов при минимуме числа вариантов в организации: избыточность числа системных элементов нередко служит непременным условием существования системы, условием ее качественно – количественной саморегуляции, надежности и обеспечивают ее равновесное состояние.

В то же время число вариантов организации ограничено, т.е. природа часто «повторяется», если говорить о количестве типов организации, отсюда многочисленные структурные аналогии и гомологии, формы организации общественных процессов и т.д.

Избыточность системных элементов может быть заменена повышением качества этих составляющих (например, индивидуальной надежности) или их агрегации, согласно, принципа перехода избыточности в самоограничение. Фактически все мироздание подтверждает справедливость этого принципа. Движущим механизмом преобразования экологических систем служит «выгода», т.е. система стремится к надежности, устойчивости при объединении.

При сложении систем природа часто прибегает к принципу конструктивной эмерджентности: надежная система может быть сложена из надежных элементов или из подсистем, не способных к индивидуальному существованию. Примеры этого правила очень разнообразны: колониальные организмы (кораллы), насекомые (муравьи, пчелы, термиты), иерархическое строение биоценозов, экосистем и т.д.

Следствием принципа конструктивной эмерджентности является закон (правило) перехода в подсистему или принцип кооперативности: саморазвитие любой взаимосвязанной совокупности, ее формирование в систему приводит к включению ее как подсистемы в образующуюся или существующую надсистему. «Кооперативный эффект» дает значительный вещественно – энергетический информационный выигрыш. Однако, при избыточности системных элементов системы проявляются на всех уровнях организации материи и его часто называют системным или системообразующим эффектом.

Преимущество постоянно растет согласно закону (принципу), увеличение степени идеальности, или «эффекту чеширского кота»: гармоничность отношений между частями системы историко –эволюционно возрастает (кот уже исчез, а улыбка его осталась). Этот принцип практически не имеет исключений, будь то отношение типа «хищник – жертва», морфологическо – физиологическая корреляция органов в организме, взаимоотношение государств и т.д.

Принципу кооперативности противостоит закон системного сепаратизма: разнокачественные составляющие системы всегда структурно независимы, т.е. между элементами системы существует функциональная связь, может быть взаимопроникновение, но это не мешает элементы структурной самостоятельности и целостности каждого элемента. Например, организм состоит из органов, каждый из которых выполняет свою функцию; или, например, государства в истории неоднократно укрупнялись, распадались в силу действия законов оптимальности размеров и сепаратизма наций и народов.

Обобщающим законом сложения систем является закон оптимальности: с наибольшей эффективностью система функционирует в некоторых характерных для нее пространственно – временных пределах. Размер системы должен соответствовать выполняемым его функциям. Этот размер называют характерным размером системы. Например, самка млекопитающих не может быть микроскопической, ни гигантской; чтобы летать, птица не может быть слишком большой и т.д. Размер национальных государств строго ограничен, и империи обречены на распадение, и в то же время исходя из закона перехода в подсистему, государства не могут не кооперироваться.
СТРУКТУРА БИОСФЕРЫ

Существует неверное представление о биосфере, как об экосистеме, состоящей лишь из совокупности биогеоценозов. На самом деле биосфера сложена иерархией экосистем и геосистем.

Антропогенное воздействие направлено одновременно на всю иерархию экосистем планеты – от элементарных биогеоценозов до глобальной биосферы. Люди как правило преобразуют для своих нужд нижнюю часть лестницы соподчиненных природных систем, а на верхнюю ее часть оказывают главным образом опосредованное воздействие. Для того, чтобы узнать на какие экологические структуры направлено «давление» человека, уметь предсказать последствия этого воздействия и спрогнозировать естественные события, необходимо представлять структуру биосферы.

Известно, что жизнь сосредоточена в трех выделяемых геосферах – в атмосфере, гидросфере, литосфере. Соответственно, биосфера подразделяется на аэробиосферу, населенную аэробионтами, гидросферу, населенную гидробионтами и геосферу, населенную геобионтами.

Область распространения жизни, особенно активной по научным данным ограничена в вертикальном пределе, главным образом высотой около 6 км. Над уровнем моря, до которой сохраняются продолжительные температуры в атмосфере и могут жить хлорофилоносные растения. Выше, в эоловой зоне, обитают лишь пауки, некоторые клещи, питающиеся зернами растительной пыльцы, спорами растений, микроорганизмами и другими частицами заносимыми ветром. Еще выше живые организмы попадают лишь случайно, микроорганизмы сохраняют жизнь в виде спор. Наиболее продуктивный слой на суше, фитосфера вместе с освещенными слоями гидросферы составляют биофильм и биокалиму, т.е. активную пленку жизни, но жизнь сосредоточена не только на земной поверхности, а имеется и внутри земной тверди. Нижний предел существования активной жизни ограничивается дном океана и изотермой 100С в литосфере, расположенными соответственно на отметке 11 км. Таким образом вертикальная мощность биосферы в океанической Земли достигает чуть более 17 км., над поверхностью до 12 км.

Теоретически предел биосферы намного шире, поскольку в гидротермах дна океана (они названы «черными курильщиками» из-за темного цвета извергающихся вод) на глубинах около 3км. Обнаружены организмы при температуре 250С. Оказывается, что пределы жизни ограничиваются точками превращения воды в пар и сворачивания белков. Перегретая жидкая вода обнаружена до глубины 10.5 км. Глубже 25км должна существовать критическая температура в 460С, при которой при любом давлении вода превращается в пар и жизнь принципиально невозможна.

Иерархия экосистем биосферы представлена на рисунке. Под иерархией экосистемы понимается функциональное соподчинение экосистем различного уровня организации, т.е. вхождение более мелких и простых в более сложные и крупные. Экосистемы каждого уровня организации имеют свой круговорот веществ. Биосфера расчленена на меробиосферы: геобиосферу, гидробиосферу и аэробиосферу. Геобиосфера и гидробиосфера имеют подразделения на подсферы: террабиосфера и литосфера в пределах геобиосферы и океанобиосферу и аквабиосферу в составе гидробиосферы. При формировании меросфер иподсфер ведущим определяющим является физическая фаза среды жизни (воздушно- водная в аэробиосфере, пресноводная и соленовидная в гидробиосфере, твердо- воздушная в терабиосфере и твердо- водная в литосфере). Все меробиосферы распадаются на слои: аэробиосфера на тиропобиосферу и альтобиосферу, гидробиосфера на фотобиосферу, дисфотобиосферу и афотобиосферу.

Структурообразующим фактором здесь является энергетика (свет и тепло) а также особые условия формирования и эволюции жизни.

В рамках аквабиосферы различия в энергетике водного пласта диктуют разделение на водоемы и водотоки. Те и другие имеют горизонтальные и вертикальные слои гидробиологические ( бениотос, планктон и т.д.). Гидробиология- очень развитая наука, но сточки зрения учения о биосфере расчленена на почти не смыкающиеся друг с другом разделы. Общего представления о жизни вод не дает даже общая гидробиология, поэтому очень трудно уловить взаимосвязь между водными системами.

Иерархия экосистем биосферы

Биосфера

Меробиосфера Аэробиосфера Гидробиосфера Геобиосфера



Подсфера Океанобиосфера Аквабиосфера Террабиосфера Литобиосфера

(маринобиосфера)

Полуподсфера Лимноаквабиосфера Реаквабиосфера
Слои Альтобиосфера Фотобиосфера Педобиосфера

Тропосфера Дистробирсфероа Гитотеррабиосфера

Афтобиосфера Толлуробиосфера

Экостемы Биогеографическое царство, Беорбис (биографическая область), Биозона

Различного (природный пояс), Биом, Биоколокус, Биокомплекс (биогеоценический

иерархического уровня комплекс), Биогеоценоз (элементарная экосистема)

Общего представления о жизни вод не дает даже общая гидробиология, поэтому очень трудно уловить взаимосвязь между водными системами, построить их иерархию. Кроме того, поверхностные и глубинные системы не всегда связаны по вертикали, чаще наоборот, могут быть пространственно удалены друг от друга, а функциональность быть связанными течениями переносом биогенов тому подобными зависимостями.

Различие между водотоками и водоемами на суше значительно глубже чем предполагалось. Это подтверждает создание водохранилищ. Водохранилище автоматически не делает образовавшейся водный объект озером, там десятилетиями не не складываются условия для промыслового рыболовства, а тем более для рыбоводства. Поэтому аквабиосфера подразделена на полуподсферы: реаквабосферу («реос»- течение) и на лимноаквабиосферы, (« лимне»-озеро). Необходима разработка иерархии систем реаквабиосферы и лимноаквабиосферы,это бы позволило установить степень экологической удаленности водных систем, их природную «совместимость», что весьма существенно при строительстве водных каналов, а тем более при перераспределении вод даже внутри одного речного бассейна. Пока такие работы ведутся экологически вслепую.

Однако фактически более или менее известны лишь крупные экосистемы суши и иерархия экосистем представлена лишь для террабиосферы. Высший уровень деления террабиосферы- биографическое царство. Следующий, более низкий системный уровень- биоорбис. Это крупное подразделение биосферы, возникшее в результате различного по геологической давности и эволюционного развития, сопряженного специфического воздействия биоты и среды жизни. Ведущей системо образующий фактор в этом случае- эволюционно исторические условия и события формирования биоты. Биоорбис, или биогеографическая область, представлена материковыми блоками или крупными их частями.

Биогеографические области распадаются на природные пояса, биозоны. Биозона- часть биогеографической области, объединяющая несколько биомов и формирующаяся на основе особенностей климата. В рамках биозон формируются биомы. Биом- крупное экосистемное подразделение с исторически сложившейся биотой. Например- биом влажных тропических лесов.

Внутри биомов, направление сукцессионных процессов (последовательная смена биоценозов), определяемых местными особенностями климата, почвообразования, создает ландшафтные разности (биолокусы). Биолокус- природный комплекс, в котором все основные компоненты: рельеф, климат, воды, почвы, растительный и животный мир находятся в сложном взаимодействии, образуя однофазную по условиям развития единую неразрывную систему.

Взаимосвязь вещественно- энергетических и информационных экологических компонентов (энергии, газов, организмов, продуцентов и консументов), формирующаяся в соседних функционально сопряженных элементарных экосистемах (биогеоцинозов) создает биогеоценотические комплексы. Например сочетание участков леса, луга и водоема, объединение типа озерко и лесного колка в лесостепи.

Самые мелкие круги биотического обмена вещества на основе относительной однородности территории формируют биогеоценозы.

Жизнь не ограничена лишь поверхностью суши, она появляется, хотя и не столь явно, как на поверхности, в глубинах литосферы. В литосфере выделяют слои: педосферу (почвенные образования), слой разряженной жизни под педосферой- гипотеррабиоосферу и слой ниже кислородной границы- теллуробиосферу.

Педосферу нельзя рассматривать как абсолютно самостоятельное системное образование. Почва образует лишь при наличии биоты, преобразующей биотический субстрат в биокостное вещество, и рассматривается как образование в составе фитосферы на границе террабиосферы и литосферы.

Раздел между гипотеррабиосферой и теллуробиосферой лежит на кислородной границе, ниже которой подземные воды не содержат свободного кислорода. Эта граница расположена на глубине 1000м от поверхности земли.

Существует немало видов, особенно животных, обитающих только в подземных водах – стигобионитов или троглобионитов. Они населяют пещерные водоемы и пластовые воды. Часть этих организмов (стигоксены и стигофилы) проникли в пещеры и там приспособились к новым условиям существования, или живут как под землей так и в поверхностных водах. Другая часть, как считается, представляет собой осколки древних биот, сохранившиеся только подземных водах. Биоценозы их очень разрежены, по но хемосинтезирующие бактерии обычны. В жизни подземных существ нет никаких ритмов. Они растут, размножаются, бывают активны круглосуточно.

Внутренняя структура жизни в лито и аэробиосферах при ее разряжении может показаться несущественной. Едва ли это верно. Жизнь в атмосфере тесно связана с наземной, в частности с распространением некоторых вирусных болезней. В земных глубинах, куда проникают стоки с поверхности земли, так же должны происходить явления не могущие не влиять наземную жизнь, т.к. воды рек, отчасти озер рождаются в недрах планеты. Имеются ли биотические связи между организмами живущими в подземных водах и гидробионтами, населяющими грунты побережий водоемов? Эти вопросы требуют детального изучения. Сложная структура биосферы требует скорейшего познания.

Задачей экологии является поиск законов, логических закономерностей функционирования природных систем, их развития, взаимодействия, возможности преобразования природных систем, их развития, взаимодействия, возможности преобразования природных систем, их развития, взаимодействия, возможности преобразования на основе знания законов разработки правил природопользования.

Законы внутреннего развития систем.
Помимо общих закономерностей сложения систем существуют общие законы их развития.

Прежде всего, это совершенно очевидный закон вектора развития: развитие однонаправлено. Нельзя прожить жизнь наоборот, от смерти к рождению, от юности к старости.

Для живых организмов существует закон необратимости эволюции: организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему состоянию уже осуществленному в ряду предков. Эта закономерность универсальна.

Утановлена всеобщая тенденция к усложнению организации подсистем. Эта закономерность сформулирована в виде закона усложнения системной организации: историческое развитие живых организмов, а также иных природных и социальных систем, приводит к усложнению их организации путем нарастающей дифференциации функций и органов, выполняющих эти функции.

В сфере закономерностей развития есть два ряда закономерностей:

- эволюционно – историческое развитие (филогенез)

- собственное развитие индивидуальных систем (онтогенез)

Взаимосвязь этих закономерностей развития сформулирована Геккелем и названа биогенетическим законом: онтогенез всякого организма есть краткое и сжатое повторение филогенеза, т.е. индивид в своем развитии повторяет (в сокращенном и закономерно измененном виде) историческое (эволюционное) развитие своего вида.

Для абиотических систем сформулирован геогенетический закон: минералогические процессы в короткие интервалы времени повторяют общую историю геологического развития, или геологические процессы развития однонаправлены во всех масштабах геоэволюции (общей эволюции Земли, в рамках геологического механизма и т.д.)

Биогенетические и геогенетические законы имеют много аналогов в развитии систем. Сходным образом развиваются экосистемы в ряду сукцессий, идет познание мира ребенком, развитие техники и т.д. Закрепленность пути индивидуального развития очевидна, это путь от юности к старости, закреплен эволюционно – исторической памятью. Функциональные изменения также следуют закрепленным путем. Отсюда закон последовательности прохождения фаз развития: фазы развития природных систем (индивидуума) могут следовать лишь в эволюционно и функционально закрепленном (историческом, эволюционно, геохимически и физиологобиологическом) порядке. Насильно убрать какую – то из фраз развития практически невозможно. Иногда возможно несколько сократить во времени, но не качественно изменить.

Существует общий системогенетический закон: природные системы в индивидуальном развитии повторяют в сокращенной и нередко закономерно измененной и обобщенной форме эволюционный путь развития своей системной структуры.

Если это так, то возникает щекотливый вопрос: как находятся пути в самой эволюции? Неужели есть направление, не иначе как через божественную силу?Но так лишь с первого взгляда. На самом деле наблюдается движение, причем одновременное всех движение в иерархии систем от большего Космоса до элементарных частиц.

Каждая подсистема следует за своей системой, т.е. развитие надсистемы определяет многие ограничения в развитии входящих в нее подсистем. Процессы организаторы и их как бы подталкивают развитие по определенным руслам, и как в реке ниже лежащая масса воды пройдет раньше вышележащей. Процесс «подталкивания», направления развития характерен для всего системного мира, т.е. идет развитие развитий, эволюция эволюций. Такова логическая модель действия системногенетического закона.

Принципы управления – целое ограничивает число степеней свободы своих частей, то же делают части по отношению друг к другу и к целому. Системогенетический закон в отличие от биогенетического позволяет прогнозировать будущее развитие, т.е. можно прогнозировать вероятностный ход событий.

Детерминированность () развития предполагает наличие единого русла изменений, их одновременность и сопряженность. Это сформулировано в законе анатомической (структурной) корреляции: в организме, как в целостной системе все его части соответствуют друг другу, как по строению, так и по функциям. Изменение одной части организма или отдельной функции влечет за собой изменение других частей и их функций.

В любой системе имеется согласование частей, в экологических системах действует закон согласования строения и ритмики, или закон синхронизации и гармонизации системных составляющих: в системе как в саморегулирующем единстве индивидуальные характеристики подсистем согласованы между собой.

Одно из важнейших следствий этого закона в том, что выпадение одного из звеньев системы меняет структуру и функции других или полностью меняет целое.

Но системы, как правило развиваются неправильно, неправильность развития подсистем внутри одной системы закономерно и согласуется с законами аллометрии и законом разновременности развития подсистем в больших системах.

Закон аллометрии указывает на неравномерность роста частей тела в процессе развития организма. Закон разновременности развития подсистем сформулирован в таком виде: системы одного уровня иерархии развиваются не строго синхронно, в то время, когда одни из них достигли более высокого уровня, другие остаются в менее развитом состоянии.

Для понимания внутреннего развития систем и образования важен закон (правило) системнодинамической комплиментарности или закон баланса консервативности и изменчивости. Этот закон сформулирован таким образом: любая саморазвивающаяся система состоит из двух рядов структур (подсистем), один из которых, сохраняет и закрепляет ее строение и функциональные особенности, а другой, способствует видоизменению и даже, саморазрушению системы с образованием новой функциональной специфики.

Чем жестче организована система, тем сильнее в ней механизмы консервативности. При этом большое значение имеют внешние, а не внутренние факторы.

Жесткие системы лишены свойств и механизмов самоподдержания, и по этому сначала выходят из строя отдельные части, а потом наступает момент полной деструкции без возможного для нее самовосстановления и даже искусственного ремонта.

Это наблюдается, когда среда не соответствует функционально – структурным особенностям системы.

В этом случае происходит вымирание, смена функций и другие процессы, охватывающие не только исчезающие системы, но и связанные с ними функциональные совокупности и их иерархии.

Например, один вид никогда не исчезнет, с ним вместе исчезает вся пищевая цепь, сеть, затем биоценоз.

Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации