2.1 Свойства системы
Структуру системы определяет способ взаимодействия элементов, и что очень важно, это взаимодействие приводит к возникновению новых свойств системы, ее новых целостных характеристик. Таким универсальным свойством экосистемы является – эмерджентность (от англ. emergens – возникновение, появление), возникновение новых свойств системы как целого, которое не является простой суммой свойств, слагающих ее частей или элементов. Например, одно дерево, как и редкий древостой не составляет леса, поскольку не создает определенной среды (почвенного покрова, гидрологического режима, микроклимата) и свойственных лесу взаимосвязи различных звеньев. Недоучет эмерджентности приводит к крупным просчетам при вмешательстве человека в жизнь экосистем. Например, сельскохозяйственные поля (агроценозы) имеют низкий коэффициент эмерджентности и поэтому характеризуются низкой способностью к саморегулированию и устойчивости. В них из-за бедности видового состава организмов, крайне незначительны связи и поэтому велика вероятность интенсивного размножения отдельных нежелательных видов (сорняков, вредителей).
Отличительной чертой любой системы является наличие у нее входа и выхода, причем определенное изменение входной величины влечет за собой некоторое изменение и величины выходной (рис.2).
Рис. 2. Общая схема системы.
Зависимость выходной величины от входной определяется законом поведения системы. В идеальном случае этот закон выражается математическим уравнением, имеющим аналитическое решение. В такое уравнение входит некоторое число постоянных или переменных параметров, характеризующих определенные свойства экосистемы.
Обычно различают три вида систем:
замкнутые, которые не обмениваются с соседними системами ни веществом, ни энергией;
закрытые, которые обмениваются с соседней системой энергией, но не веществом;
открытые, которые обмениваются с соседними системами и веществом и энергией.
Практически все природные системы (экосистемы) относятся к типу открытых, т.е. они получают и отдают энергию. Если мы вернемся к рассмотрению схемы системы (рис.2), то необходимо отметить, что предел изменений на входе и выходе сильно варьируют и зависят от многих переменных. Например, от размеров системы – чем она больше, тем меньше зависит от внешних частей: интенсивности обмена – чем он интенсивнее, тем больше приток и отток; стадии и степени развития системы – молодые системы отличаются от зрелых. Так для обширной, поросшей лесом горной местности перепад между средой на входе и выходе значительно меньше, чем для небольшого ручья.
2.2 Связи в природных системах.
Как мы уже отметили выше, существование систем немыслимо без связей, тем более в природных экосистемах, которые являются открытыми. Так вот связи в этих системах делятся на прямые и обратные.
Прямая – это такая связь, при которой один элемент (А) действует на другой (В) без ответной реакции (А В). Пример – действие древесного яруса леса на случайно выросшее под его пологом травянистое растение. Или действие солнечной системы на земные процессы.
При обратной связи элемент «В» отвечает на действие элемента «А». Обратные связи бывают положительными и отрицательными.
Обратая положительная связь ведет к усилению процесса в одном направлении. Пример, - заболачивание территории, например, после вырубки леса. Снятие лесного полога и уплотнение почвы обычно ведет к накоплению воды на ее поверхности. Это в свою очередь, дает возможность поселяться здесь растениям – влагонакопителям, например, сфагновым мхам, содержание воды в которых в 25-30 раз превышает вес их тела. Процесс начинает действовать в одном направлении: увеличение увлажнения обеднение кислородом замедление разложения растительных остатков накопление торф дальнейшее усиление заболачивания.
Обратная отрицательная связь действует таким образом, что в ответ на усиление действия элемента «А» увеличивается противоположная по направлению сила действия элемента «В». Такая связь позволяет сохраняться системе в состоянии устойчивого динамического равновесия, называемое гомеостазом ( homois-то же, statos-состояние), т.е. принципом равновесия. Гомеостаз- это механизм, посредством которого живой организм, противодействуя внешним воздействиям, поддерживает параметры своей внутренней среды на таком постоянном уровне, который обеспечивает его нормальную жизнедеятельность (величина кровяного давления, частота пульса концентрация солей в организме, температура и т.д.). Если же функционирование этого механизма будет нарушено, то возникший дискомфорт в организме может привести и к ее гибели.
Природная экосистема устойчиво функционирует при постоянном взаимодействии ее элементов, круговороте веществ, передаче химической, энергетической и другой энергии и информации. Согласно принципу равновесия любая естественная система с проходящим через нее потоком энергии и информации находится в состоянии устойчивого равновесия. Эта устойчивость экосистемы обеспечивается автоматически за счет механизма обратной связи. Это наиболее распространенный и важный вид связей в природных системах. На них базируется устойчивость и стабильность экосистем. Пример такой связи – взаимоотношение между хищником и ее жертвой. Увеличение численности жертвы как кормового ресурса, например, полевых мышей для лис, создает условия для размножения и увеличения численности последних. Они в свою очередь (лисы) начинают более интенсивно уничтожать жертву и снижают ее численность. В целом, численность хищника и жертвы синхронно колеблется в определенных границах. Или локальное увеличение углекислоты в атмосфере в результате извержения вулканов – за ним следует повышение интенсивности фотосинтеза и связывание углекислоты в органическом веществе, а также более интенсивное поглощение ее океаном. Третий пример. В природе закономерны периодические повышения уровней почвенно-грунтовых вод. Следовательно, увеличивается их контакт с корневыми системами растений, повышается расход воды путем испарения растениями (транспирация) и в результате грунтовая вода возвращается в исходное состояние.
Одно из отрицательных проявлений деятельности человека в природе связано с нарушением этих связей, что приводит к разрушению экосистем или переходу их в другое состояние. Например, умеренное загрязнение водной среды органическими и биогенными (необходимыми для жизнедеятельности организмов) веществами обычно сопровождаются интенсификацией размножения организмов, потребляющих эти вещества, результатом чего является самоочищение водоемов. Перегрузка же среды загрязняющими веществами на определенном этапе ведет к угнетению или уничтожению организмов-санитаров и разрушению установившихся связей, изменению системы и переходу ее на уровень заболачивания. В результате неизбежным становится прогрессирующее загрязнение, обеднение водной среды кислородом и превращение чистых озерных или текущих вод в системы болотного типа.