Матеріально-інформаційна природа систем та їх функціонування

План:

1. Системність екології.
2. Природні системи та інформація
3. Системний підхід в екології
4. Функціонування (динаміка) екосистем

 

 

Екологія  як наука розглядає системи, усі  елементи яких є взаємозв’язані і взаємозалежні. Тому необхідно враховувати багато факторів при аналізі тих чи інших явищ а тим більше при плануванні будь-яких втручань у екосистеми. Такий підхід, у свою чергу, неможливий без комплексного методу вивчення, оцінки і вирішення тих чи інших екологічних завдань. Через ці ж причини очевидний тісний зв'язок екології з іншими науками, відомостями котрих необхідно не тільки оперувати, але й уміти грамотно їх використовувати. До таких наук відносяться: біологія, географія, ґрунтознавство, хімія, фізика та інші галузі знань. Важливо також уміти користуватися необхідною інформацією з різних галузей господарства, і характерних їм технологічним процесам.

1. Системність екології.

Якщо торкатися системних явищ, то важливо познайомитися із видами систем, загальними положеннями теорії систем. Зазвичай розрізняють три види систем:

1).  Ізольовані, котрі не обмінюються з сусідніми ні речовиною, ні енергією;

2). Закриті, котрі обмінюються з сусідніми енергією, але не речовиною (наприклад, космічний корабель);

3). Відкриті, які обмінюються з сусідніми і речовиною, і енергією.

Практично всі  природні (екологічні) системи відносяться  до типу відкритих.

Існування систем неможливе без зв’язків. Вони бувають прямими і зворотними. Прямим зв’язком називають такий, при якому один об’єкт діє на інший без зворотної реакції. Це, наприклад, дія сонця на земні процеси. При зворотному типу зв’язку інший елемент відповідає на дії першого. Зворотні зв’язки бувають позитивними і негативними. І перші й другі відіграють суттєву роль у екологічних процесах і явищах.

Позитивний  зворотний зв’язок веде до посилення процесу в одному напрямі. Яскравий приклад – заболочення території після вирубки лісу. Зняття лісового покриву і укрупнення ґрунту веде до накопичення води на його поверхні. Це, у свою чергу, дає можливість для життя рослин-водонакопичувачів, наприклад сфагновим мохам, вміст води у яких перевищує масу їхнього тіла у 25-30 разів. Процес починає діяти в одному напрямку: збільшення зволоження – кисневе збідніння – уповільнення розкладання рослинних решток – накопичення торфу – подальше посилення заболочення.

Негативний  зворотній зв'язок діє таким чином, що, у відповідь на посилення впливу першого елемента збільшується протилежна за напрямом сила іншого елемента. Такий зв'язок дозволяє системі зберігати стан стійкої динамічної рівноваги. Це – найбільш поширені важливі види зв’язку в природних системах. На них перш за все базується стійкість і стабільність екосистем. Приклад такого зв’язку – взаємовідносини між хижаком та його жертвою. Збільшення кількості жертви як харчового ресурсу, наприклад польових мишей для лисиці створює умови для розмноження і збільшення кількості останніх. Вони,у свою чергу, більш починають більш інтенсивно винищувати жертву і знижують її чисельність. В цілому численність хижаків та жертв синхронно коливаються в певних межах.

2. Природні системи та інформація

Цілісність біоценозів підтримується еволюційно сформованою  системою зв'язків, насамперед інформаційних. Відповідно до концепції литовського  еколога Е. Лекявичуса, на рівні біоценозу  постійно функціонують два канали інформації. Один з них забезпечує стійке існування і репродукцію популяцій конкретних видів; це система самопідтримки і розвитку видів, чи селфінг. Другий канал зв'язує біоценоз, як ціле, з його компонентами; ц-координації, популяції окремих видів, що примушують, до виконання специфічних функцій у складі цілісної системи. На конфлікті цих двох каналів інформації будуються регуляторні механізми, що визначають підтримку глобальних функцій біоценозу (Е. Лекявичус, 1986).

Одержання й  перетворення інформації є умовою життєдіяльності будь-якого організму. Навіть найпростіші одноклітинні організми постійно сприймають і використовують інформацію, наприклад, про температуру й хімічному складі середовища для вибору найбільш сприятливих умов існування. Біологи образно говорять, що «живе харчується інформацією», створюючи, накопичуючи й активно використовуючи її.

Інформаційна функція живого полягає в тому, що всі живі організми та їх угрупування накопичують певну інформацію, закріплюють її у спадкових структурах і передають наступним поколінням. Це – один із проявів механізму адаптації. 

3. Системний підхід в екології

Системний підхід в екології зумовив формування цілого напряму, що став його самостійною галуззю  – системною екологією. Системний підхід – це напрям у методології пізнання об’єктів як систем. Система – це безліч взаємозв’язаних елементів, що утворюють певну цілісність, єдність. Її склад, структуру і властивості вивчають за допомогою системного аналізу, який є основою системного підходу і являє собою сукупність методологічних засобів, що використовуються для вирішення складних наукових проблем. В цю сукупність засобів входить комплекс методів: від простих описових, логічних до вельми складних математичних. Технічною основою системного аналізу є сучасні ЕОМ, а також інформаційні системи з широким використанням методів математичного програмування.

Основними системними принципами є:

• Цілісність;
• Структурність;
• Взаємозалежність системи і середовища;
• Ієрархічність;
• Множинність описання кожної системи.

Цілісність – це узагальнена характеристика системи, властивості якої не зводяться до суми властивостей її елементів і не виводяться із цих властивостей (цілісність організмів більш повною буде в популяції, популяції – в біоценозі тощо, і властивості кожної системи не зводяться до властивостей нижче стоячої).

Структурність – це встановлення структури і взаємозалежності структурних елементів, обумовленості поведінки системи її структурою (структура біоценозу, трофічна структура екосистеми і установлення зв’язків між трофічними рівнями тощо.)

Взаємозалежність  системи і середовища виражається у формуванні і прояві її властивостей у результаті їхньої взаємодії (взаємодії біоценозу і біотопу, популяцій в біоценозі тощо).

Ієрархічність – це коли кожен елемент системи може розглядатися як самостійна система, а сама досліджувана система є складовою частиною більш широкої системи (рівні біологічної організації живого, аж до глобальної системи – біосфери).

Екосистеми –  складні самоорганізовані та цілеспрямовані, зі складною ієрархічною структурою системи, які потребують множинного опису кожної системи, що вимагає побудови безлічі моделей, тобто широкого використання методів моделювання при дослідженні.

Наприклад, щоб  отримати уявлення про енергетичний потік у екосистемі, необхідно  уявити собі модель у вигляді енергетичної піраміди. Так і з'являється проміжний (допоміжний) об’єкт дослідження – модель. 

4. Функціонування (динаміка) екосистем

Функціонування  системи – це сукупність реакцій, які виникають у системі у  відповідь на зовнішні дії і призводять до змін внутрішніх властивостей системи, до її саморозвитку.

     Кожна природна система характеризується стійкістю, саморегуляцією, самокореляцією, еволюціонуванням, емерджентністю.

Стійкість проти випадкового зовнішнього впливу є одним із найважливіших властивостей природних систем. Кожна природна система прагне до збереження рівноваги у своєму розвитку. Екстремальні зовнішні умови можуть зруйнувати природну систему.

 Саморегуляція процесів функціонування системи забезпечується явищем самокореляції елементів (компонентів) у складній сітці функціонування зв'язків.

Еволюціонування системи проходить у результаті ускладнення процесів, які протікають у функціонуючій системі, і йде від простого до складного. Емерджентність природної системи полягає в появі у функціонуючій системі в процесі свого розвитку зовсім нових властивостей, якими не володіє жоден із компонентів цієї системи.

Складні міжвидові  взаємовідносини, котрі визначають функціональну цілісність екосистем, відрізняються відносною «свободою» структурних зв’язків між окремими компонентами. Види в складі конкретних біоценозів можуть заміщуватися біологічно схожими видами.

Нестабільність  абіотичних факторів екосистем є причиною коливань складу і функціональних зв’язків у біоценозах.

Функціонування або динамічність – одна із фундаментальних властивостей екосистем, яка відображає не лише залежність останніх від комплексу факторів, але й адаптивну (пристосувальну) реакцію всієї системи на ці фактори.

Масштаби часу,  у яких виражається динаміка екосистем, різні. Зміни можуть мати добову або сезонну ритмічність, тривати кілька років або охоплювати цілі геологічні епохи, впливаючи на розвиток глобальної екосистеми Землі.

На стадії зародження життя на Землі активно проходили  різноманітні хімічні реакції. Синтезувалися і вступали в наступні реакції одні речовини, інші розкладалися, перетворювалися в інші сполуки, причому вважають, що весь процес був мало впорядкованим і хаотичним.

З виникненням  життя хімічні процеси поступово  стали підпорядковуватися певним закономірностям і упорядкувалися. Атоми, що входять до складу органічних сполук живої тканини, стали передаватися по харчовому ланцюгу від однієї ланки до іншої, і в кінці кінців повертатися в неорганічну природу.

Різноманіття  організмів, які існують у всіх можливих екосистемах, становлять «живу речовину» планети. Головною геохімічною особливістю  живої речовини є те, що вона пропускає через себе атоми хімічних елементів, здійснюючи в процесі життєдіяльності їх закономірне сортування і диференціацію. Завершивши свій життєвий цикл, організми повертають природі все, що взяли від неї протягом життя. Малі міграційні потоки хімічних елементів як між взаємозв’язаними організмами, так і між організмами и навколишнім середовищем складаються у більш масштабні цикли – колообіги. Тривалість і постійність існування життя підтримують саме колообіги, тому що без них навіть в масштабах всієї Землі запаси необхідних елементів були б дуже скоро вичерпані. 

Кругообіг біологічний (біотичний) — явище неперервного циклічного закономірного, але нерівномірного, у часі та просторі перерозподілу речовини, енергії та інформації в межах екосистем різного ієрархічного рівня організації – від біогеоценозу до біосфери. Кругообіг речовин в масштабах всієї біосфери називають великим колом, а в межах конкретного біогеоценозу – малим колом біотичного обміну.

Частина біологічного колообігу, що складається з колообігів вуглецю, води, азоту, фосфору, сірки  та інших біогенних речовин, називають  біохімічним коло обігом.

Деяка кількість  речовини може тимчасово вибувати із біологічного коло обігу (осідати на дні океанів, морів, випадати в глибині земної кори тощо). Проте в результаті протікання і геологічних процесів (вулканічної діяльності, підйому та опускання земної кори, зміни меж між сушею і водою і т.ін.) осадові породи знову включаються в коло обіг, який називають геологічним циклом або колообігом.

Колообіги речовин  від продуцентів до консументів  різних рівнів, потім до редуцентів, а від них знову до продуцентів, замкнені не повністю. Якщо б в екосистемах існувала їхня повна замкненість, то не виникло б ніяких змін середовища життя, не було б ґрунту, вапняку та інших гірських порід біогенного походження.

Таким чином, біотичний  коло обіг можна умовно зобразити  у вигляді незамкненого кільця.

Втрати речовини через не замкненість коло обігу  мінімальні в біосфері – наймасштабнішій  екосистемі планети.

Інформація а  екосистемах втрачається із загибеллю  видів і незворотними генетичними  перебудовами.

Таким чином, кожна  екосистема підтримує своє існування за рахунок коло обігу і постійного притоку сонячної енергії. Колообіг енергії в екосистемах практично відсутній, адже від редуцентів енергія повертається консументам в мізерних кількостях. Вважається, що коефіцієнт коло обігу енергії не перевищує 0,24%.

Енергія може накопичуватися, зберігатися, перетворюватися з  однієї частини системи в іншу, але вона не може бути знову запущена в процес, як вода і мінеральні речовини. Одноразово пройшовши від рослин-продуцентів  через консументи до редуцентів, енергія виноситься в навколоземний і космічний простір. 
 

Колообіг  біогенних елементів

Продуценти, консументи й редуценти екосистеми, поглинаючи і виділяючи різноманітні речовини, взаємодіють між собою чітко та узгоджено. Органічні речовини і кисень, створені фото синтезуючими рослинами, – найважливіші продукти  харчування і дихання консументів. У той же час вуглекислий газ і мінеральні речовини, які залишаються внаслідок життєдіяльності консументів, необхідні продуцентам. Тому речовини в екосистемах здійснюють практично повний коло обіг, потрапляючи спочатку в живі організми, потім у абіотичне середовище, і знову повертаючись у живе.