3. Концепция экосистемы.
Долговременное функционирование экосистемы обеспечивают три основных компонента - сообщество, поток энергии и круговорот веществ. Поток энергии направлен только в одну сторону, часть поступающей солнечной энергии преобразуется сообществом и, трансформируясь в органическое вещество, представляет собой более концентрированную форму энергии, чем солнечный свет (10 %), но большая часть энергии (90 %) деградирует, проходит через систему и покидает ее в виде низкокачественной тепловой энергии (тепловой сток). Энергия может накапливаться, затем экспортироваться (высвобождаться), но ее нельзя использовать вторично.
В отличие от энергии элементы питания (углерод, азот, фосфор и т. д.), и вода используются многократно. Эффективность повторного использования и размеры импорта и экспорта элементов питания сильно варьируют в зависимости от типа экосистемы.
Все экосистемы, даже самая крупная - биосфера, являются открытыми системами: они должны получать и отдавать энергию. Экосистемы, входящие в биосферу, также в разной степени открыты для потоков веществ, для иммиграции и эмиграции организмов. Поэтому концепция экосистемы учитывает существование связанных между собой и необходимых для функционирования и самоподдержания экосистемы среды на входе и среды на выходе.
Рисунок. Внешняя схема экосистемы
В концептуально законченную экосистему входит среда на входе, среда на выходе и система, т. е. экосистема = IE + S + OE. Данная схема решает проблему, связанную с проведением границ рассматриваемой единицы, поскольку в этом случае не имеет значения, как вычленяется исследуемая часть экосистемы. Часто удобными оказываются естественные границы, например берег озера или опушка леса, или административные, например границы города, но если эти границы невозможно точно определить геометрически, то они могут быть и условными. Следует учитывать, экосистема не ограничена «ящиком» в центре схемы, поскольку если бы этот «ящик» был герметичным, то его живое содержимое (озеро или город) не вынесло бы такого заключения и погибло.
4. Изучение экосистем.
При изучении больших сложных экосистем, таких, как озера и леса, экологи используют четыре основных подхода:
1) холистический (от греч. holos - целый), который предполагает измерение поступлений и выхода энергии и различных веществ, оценку совокупных и эмерджентных свойств, а затем в случае необходимости - изучение его составных частей; экосистема рассматривается как черный ящик, т. е. как объект, функция которого может быть описана без выяснения его внутреннего содержания.
2) мерологический (от греч. meros - часть), при котором сначала изучаются свойства основных частей, а затем эти сведения экстраполируются на систему в целом. Эмерджентные свойства при данном подходе могут быть упущены. Важное значения имеет конкретный организм, который в разных системах может вести себя по-разному, и эта изменчивость связана с тем, как данный организм взаимодействует с другими компонентами экосистемы.
Например, многие насекомые в агроэкосистеме являются опасными вредителями, а в своих естественных местообитаниях они не опасны, так как там их держат под контролем паразиты, конкуренты, хищники или химические ингибиторы.
3) экспериментальные методы, т.е. нарушение тем или иным способом структуры или функции экосистемы в надежде, что реакция системы на такое нарушение позволит проверить гипотезы, основанные на наблюдениях. Экспериментальные методы - основа «стрессовой», или «пертурбационной» экологии.
4) методы моделирования. Модель – это абстрактное описание того или иного явления реального мира, позволяющее делать предсказания относительно этого явления. В своей простейшей форме модель может быть словесной или графической (неформализованной). Однако модель должна быть статистической и строго математической (формализованной). Моделирование обычно начинают с построения схемы, или графической модели, часто представляющей собой блок-схему.
В работающей модели экологической ситуации имеется как минимум четыре ингредиента или компонента:
1) источник энергии или другая внешняя движущая сила,
2) переменные состояний (продуценты, консументы, редуценты),
3) направления потоков, связывающих переменные между собой;
4) взаимодействия, которые связывают между собой силы и свойства, изменяя, усиливая или контролируя перемещения веществ и энергии или создавая эмерджентные свойства.
Характеристика хорошей модели должна включать три компонента:
1) анализируемое пространство (границы системы),
2) субсистемы (компоненты), считающиеся важными для общего функционирования,
3) рассматриваемый временной интервал.
После определения экосистемы, экологической ситуации или проблемы и установления ее границы, выдвигается доступная для проверки гипотеза или серия гипотез, которую можно принять или отвергнуть хотя бы предварительно, ожидая результатов дальнейших экспериментов или анализа.