Глава V Системный подход в экологии (тема 5)
5.1. Системный подход в экологии (конспект лекции и хрестоматия)
Мы уже неоднократно использовали термин «система». Системный подход с середины 20-го столетия получает самое широкое распространение в различных областях науки. Пожалуй, ни одна фундаментальная работа в настоящее время не обходится без таких понятий как система, системный подход, системный анализ, общая теория систем и так далее. Что же такое система в научном понимании? Приведем одно из многочисленных определений.
Система (от греч. systema – целое, составленное из частей) – множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определенную целостность, единство (БСЭ, 1976).
Понятие «система» имеет чрезвычайно широкую область применения – практически каждый объект во Вселенной может рассматриваться как система. Например, атом – это система, состоящая из протонов, нейтронов и электронов, которые взаимодействуют между собой и представляют единое целое. Молекулы ДНК, клетки, организмы, ландшафты, биосфера Земли – сложнейшие системы.
«Назовём системой любой реальный или мыслимый объект, целостные свойства которого могут быть представлены как результат образующих его частей. В таком определении системы в неявном виде отражается признание платоновского положения о том, что целое есть нечто большее, чем сумма частей. Будем именовать части «элементами» системы, а способ связи между ними – определяющим её структуру. Таким образом, элементы образуют систему, но не входят в её структуру <...>. Структуру определяет только способ взаимодействия элементов ...
Вместе с тем структура системы отражает не просто разнообразие и интенсивность связей между элементами. Взаимодействие элементов рождает новые свойства системы (т. н. эмерджентные свойства), и эти свойства складываются в новые целостные характеристики. Последние невозможно понять только на основании свойств образующих систему элементов. ... В конечном счёте природа элемента отражает лишь сложность изучаемой системы. Поэтому по природе своих элементов системы могут быть бесконечно разнообразны, и их соподчинённость приводит к одной из особенностей, присущей всем без исключения системам – иерархичности соподчинения элементов. Так, например, различные органеллы суть элементы клетки, различные клетки суть элементы ткани, ткани – органов, органы – организмов, организмы – популяции, популяции – сообщества. Тогда элементы клетки (органеллы) образуют подсистему в пределах более крупной системы – системы тканей. Элементы тканей (клетки) образуют подсистему по отношению к организмам и т. д.
... глобальной концепцией, пронизывающей структуру современной экологии, несомненно оказывается концепция систем. Поэтому для понимания целостных свойств экосистемы изучение связей образующих её элементов представляет для эколога больший интерес, чем изучение свойств самих элементов» (Фёдоров, Гильманов, 1980).
Любую систему можно представить как нечто, отграниченное от окружающей среды, с которой система взаимодействует:
Здесь «вход» обозначает регистрируемые параметры окружающей систему среды, оказывающие влияние на систему, а «выход» – регистрируемые параметры системы (ответная реакция системы на изменение «среды на входе»).
Взаимодействие системы с окружающей средой заключается в обмене веществом, энергией и/или информацией. В физике (термодинамике) по взаимодействию с окружающей средой все материальные системы подразделяются на следующие три типа:
термодинамически открытые, которые обмениваются со средой энергией и веществом;
термодинамически закрытые – обмениваются со средой только энергией;
термодинамически изолированные – не обмениваются со средой ни энергией, ни веществом.
Но не только объекты материального мира могут рассматриваться как системы. Понятия, гипотезы, теории, математические модели – это тоже особого рода системы. Поэтому принято выделять материальные и абстрактные системы. Абстрактные системы являются продуктом человеческого мышления. Материальные системы делятся на системы неживой природы (физические, химические, геологические системы и т. п.) и системы живой природы – биологические системы.
Экосистемы различного уровня (от элементарных экосистем до биомов, биосферы и экосферы) принято относить к категории биосистем. Но часто их выделяют в особую категорию – биокосных систем.
«Системные» свойства экологических систем
Экологическая система – это выполняющая функцию поддержания жизни биокосная система определенного иерархического уровня, которая
1) взаимодействует со средой и другими системами как единое целое, обмениваясь с ними веществом, энергией и информацией, (т. е. является термодинамически открытой системой);
2) состоит из подсистем более низкого иерархического уровня, объединение которых приводит к возникновению новых, эмерджентных свойств системы и, в свою очередь, является подсистемой для систем более высокого порядка, вплоть до глобальной экосистемы Земли;
3) обладает способностью саморегуляции, гомеостатическими свойствами и механизмами, непрерывно осуществляет адаптивную перестройку своей деятельности по сигналам обратной связи о её результатах;
4) обладает определенной устойчивостью и способностью к самовозобновлению и саморазвитию (по А.Б. Когану, 1977).
Иерархия
Попробуем применить элементы системного подхода при анализе структуры современной экологии, используя идеи Ю. Одума (1986). Биоценоз, сообщество, популяция, организм, орган, клетка и биомолекула – основные уровни организации жизни; на рис. 5.1 они расположены в иерархическом порядке – в виде восходящих ступеней от «низшего к высшему». На каждом уровне, в результате взаимодействия с окружающей физической средой (веществом и энергией), возникают характерные функциональные системы – биосистемы. Именно их изучением и призвана заниматься биоэкология (сравните рис. 2.3 и 5.1). Традиционно экология изучает биосистемы от уровня организма и выше (экзоэкология), хотя сегодня существуют и такие направления как генетическая экология, клеточная экология и молекулярная экология (эндоэкология).
Иерархия (от греч. hieros – священный и arche – власть) – расположение частей или элементов целого в порядке от высшего к низшему. До XIX века термин употреблялся для характеристики организации христианской церкви. Отсюда – «священная власть». Иерархия экосистем – функциональное соподчинение экосистем различного уровня.
Иерархическую организацию систем характеризуют три главных момента:
1. Функциональное «подчинение» систем низшего уровня системам высшего уровня.
2. Относительная независимость, самостоятельность систем любого уровня.
3. Возникновение эмерджентных свойств системы.
Рис. 5.1. Упрощенная иерархия уровней организации биосистем.
Вероятно, геоэкология (вопрос весьма дискуссионный) призвана заниматься изучением геосистем различного иерархического уровня. В географии существуют различные схемы иерархии геосистем (рис. 5.2).
Рис. 5.2. Схема иерархии геосистем (по А. Г. Исаченко, 1991).
Вопрос об иерархии собственно экологических систем (биокосных систем) до сих пор разработан очень схематично. Общепризнанными являются лишь биогеоценоз (элементарная экосистема) – низшая единица в иерархии, а также глобальная экосистема Земли – высшая единица.
Структура человеческого общества тоже строится по системному иерархическому принципу – от индивида (гражданина, личности) до человечества Земли. Взаимодействие этих структур (систем) с окружающей средой, вероятно, призвана изучать социальная экология и/или экология человека.
Обратная связь
Обратная связь – обратное воздействие результатов процесса на его протекание или управляемого процесса на управляющий орган.
Обратная связь характеризует системы регулирования и управления в живой природе, обществе и технике. Различают положительную и отрицательную обратную связь.
Прямая (в простейшем случае прямо пропорциональная) зависимость интенсивности процесса от его результатов характеризует положительную, а обратная (в простейшем случае обратно пропорциональная) зависимость – отрицательную обратную связь.
Существование систем регулирования с обратной связью прослеживается на всех уровнях организации живого – от молекулярного до популяционного и биосферного. Особенно значителен вклад этого механизма в автоматическое поддержание постоянства внутренней среды организма – гомеостаза.
Представим блок-схему процессов в системе «фитопланктон – зоопланктон» (отрицательная обратная связь). Увеличение численности фитопланктона, помимо прочего, положительно скажется на увеличении численности зоопланктона (увеличивается количество пищи), но увеличение численности зоопланктона, очевидно, приведёт к снижению численности популяции фитопланктона (из-за выедания):
Теперь представим блок-схему процессов в системе: плодородие – урожай – детрит – гумус – плодородие (положительная обратная связь). Увеличение плодородия почвы приводит к росту урожая культур, благодаря чему увеличивается количество корневых и пожнивных остатков растений, которые, перегнивая, способствуют увеличению содержания почвенного гумуса и росту плодородия почвы:
Конечно, приведенная выше ситуация наблюдается только в случае запашки остатков растений на удобрение (так называемое сидеральное удобрение).
Рассмотрим более общие правила моделирования систем с обратной связью на конкретных примерах.
Пример 1. Какая (положительная или отрицательная) обратная связь наблюдается в системе: популяции волков их пищевых ресурсов смертности волков популяции волков. Нарисуйте блок-схему процессов.
Здесь дельта (Δ) – означает «изменение». Стрелка показывает влияние результатов одного процесса на другой. Знак над стрелкой показывает характер зависимости. Знак «плюс» означает прямую (в простейшем случае прямо пропорциональную зависимость), знак минус означает обратную зависимость. В нашем случае между изменением популяции волков и изменением количества их пищевых ресурсов наблюдается обратная зависимость (чем больше волков – тем меньше пищевых ресурсов и чем меньше волков – тем больше пищевых ресурсов). Результат перемножение всех «плюсов» и «минусов» в замкнутом контуре позволяет определить характер обратной связи: итоговый «плюс» свидетельствует о наличии положительной обратной связи, а «минус» – отрицательной.
В рассматриваемой системе наблюдается отрицательная обратная связь (минус умножаем на минус и ещё раз умножаем на минус – получаем итоговый минус), обратная зависимость процесса изменения популяции волков от его результатов – увеличение популяции волков приводит к нехватке пищи, увеличению смертности и уменьшению популяции, а уменьшение популяции волков приводит к росту пищевых ресурсов, снижению смертности в популяции и её росту.
Отрицательная обратная связь стабилизирует систему, не позволяет популяции волка катастрофически увеличивать или снижать свою численность. Такие взаимодействия между элементами в природной системе, приводящие в конечном итоге к стабилизации системы, поддержанию относительного постоянства её состава и свойств называют механизмами саморегуляции или гомеостатическими механизмами. Принято говорить, что гомеостатические механизмы в природной системе действуют по принципу отрицательной обратной связи.
Пример 2. Какая (положительная или отрицательная) «обратная связь» наблюдается в системе: температуры воздуха площади ледников поглощения солнечной радиации температуры воздуха. Нарисуйте блок-схему.
Система с положительной обратной связью. Элементы в этой системе так связаны друг с другом, что изменение любого из них приводит к нарастающему отклонению системы от первоначального состояния. Например, увеличение температуры воздуха приводит к сокращению площади ледников и, следовательно, к увеличению поглощения солнечной радиации подстилающей поверхностью и росту температуры воздуха. Понижение температуры воздуха ведёт к росту площади ледников, уменьшению поглощения солнечной радиации и дальнейшему снижению температуры воздуха. В обоих случаях система безостановочно и со всё нарастающими темпами отклоняется от исходного значения температуры воздуха.