Свойства экосистем и принципы их функционирования
1. Эмерджентность
На рис. компоненты экосистемы представлены в виде уровней биологической организации биологических систем, которые различаются по принципам организации и масштабам явлений. Они отражают иерархию природных систем, при которой меньшие подсистемы составляют большие, сами являющиеся подсистемами более крупных.
Рис. Спектр уровней биологической организации (по Ю. Одуму, 1975)
Свойства каждого отдельного уровня значительно сложнее и многообразнее предыдущего. Нельзя предсказать свойства каждого последующего биологического уровня исходя из свойств отдельных составляющих его более низких уровней, подобно тому, как нельзя предсказать свойства воды исходя из свойств кислорода и водорода.
Эмерджентность (emergence – неожиданно возникающий) – наличие у системного целого особых свойств, не присущих его подсистемам и блокам, не объединенных системообразующими связями.
2. Биоразнообразие
Многообразие биологических видов соответствует разнообразию условий обитания на Земле. Одна из главных особенностей живого состоит в заселении не только зон наиболее благоприятного климата, но и всех уголков планеты: высокогорных, глубоководных, подземных ареалов.
Многочисленность и разнообразие обитателей планеты соответствует разнообразию экологических ниш в биогеоценозах. Миллионы биологических видов – основной ресурс и базис устойчивости биосферы. Техногенные воздействия приводят к вымиранию многих видов, этот процесс катастрофически ускорился в ХХ в., он ведет к потере устойчивости отдельных экосистем и биосферы в целом.
Исследуя закономерности, определяющие разнообразие видов в живой природе и устойчивость биоценозов, Реймерс предложил очень наглядную модель, имеющую форму волчка (рис…). Диаметр колес (цилиндров) волчка пропорционален числу видов, а толщина (высота цилиндров) – биомассе соответствующего трофического уровня. Волчок вращает энергия Солнца.
Рис. «Волчок жизни»:
а – для упрощенной модельной экосистемы;
б – для биоценоза Земли в целом
Из анализа модели следует, что система становится устойчивее с наращиванием подводимой к ней мощности (количество энергии в единицу времени) и с увеличением диаметра среднего колеса волчка, т.е. количества консументов. Т.о. консументы служат управляющим звеном в системе биоценоза. Именно они порождают спектр разнообразия в биоценозе.
Принцип необходимого разнообразия элементов – нижний предел разнообразия равен двум, верхний - стремится к бесконечности. Основывается на непрерывном круговороте веществ, связанном с направленными потоками энергии. Механизмы поддержания целостности системы основываются на свойствах разнообразия и системности. Разнообразие – необходимое условие устойчивости любой кибернетической системы на фоне внешних и внутренних возмущений (принцип Эшби). Живые системы (организмы, биосфера) функционируют по принципу обратной связи.
Разнообразие – результат эволюции. Чем старее ЭС, тем более разнообразный видовой состав (старые тропические леса и молодая тайга). Биологическое разнообразие обеспечивает устойчивость биосферы через множество взаимосвязей и взаимодействий между собой и косным веществом. В биосфере имеется большой набор процессов регулирования с обратной связью и набор циклических процессов, позволяющих ей компенсировать изменяющиеся условия. Поэтому биосфера легко справляется с задачами автоматического регулирования необходимых условий жизни.
Стабильность глобальной экосистемы обеспечивается избыточностью ее функциональных компонентов. Если в экосистеме имеется несколько видов автотрофов, каждый из которых имеет свои оптимальные температурные условия фотосинтеза, то суммарная скорость фотосинтеза может оставаться неизменной при колебаниях температуры.