Примеры моделирования экосистем. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

К а ф е д р а «Химическая технология и промышленная экология»

А.А. АМОСОВА Е.А. АМОСОВ

ПРИМЕРЫ

МОДЕЛИРОВАНИЯ

ЭКОСИСТЕМ

Учебное пособие

Самара Самарский государственный технический университет

2021

1

Печатается по решению методического совета Института нефтегазовых технологий (протокол № 2 от 24.02.2021 г.).

УДК 502:504(075.8)

ББК 20.1я73 А 623

Амосова А.А.

Примеры моделирования экосистем: учеб. пособие / А.А. Амосова,

Е.А. Амосов. – 2-е изд. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2021. – 52 с.

Кратко рассмотрены вопросы экологии и приведены примеры применения различных видов моделирования при исследовании экологических систем.

Предназначено для студентов высших учебных заведений, изучающих дисциплины «Математическое моделирование», «Общая экология», «Экология», «Биология с основами экологии».

Р е ц е н з е н т : канд. хим. наук. А.Ю. Чуркина

УДК 502:504(075.8) ББК 20.1я73 А 623

© А.А. Амосова, Е.А. Амосов, 2021 © Самарский государственный

технический университет, 2021

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина «Экология» входит в блок обязательных общепрофессиональных дисциплин. В ней соединены тематика развития и взаимодействия различных экологических систем и вопросы мониторинга окружающей природной среды. Целью преподавания дисциплины является формирование у студентов представления о неразрывном единстве эффективной профессиональной деятельности с ответственностью и обеспечением безопасности человека в окружающей природной среде.

В результате изучения дисциплины «Экология» студент получает знания об экосистемах, о закономерностях адаптации организма к факторам окружающей среды, о среде обитания, о методах экологического мониторинга и т.д.

Кроме того, студент получает навык прогнозирования и моделирования результатов своей профессиональной деятельности с учетом прямых и многочисленных косвенных последствий для биосферы.

Математическое и физическое моделирование является одним из способов установления взаимосвязей между параметрами, описывающими изучаемую исследователем систему, например, экосистему. Поэтому, проводя мониторинг экологической среды и изучая факторы опасного воздействия на природу, студент может опираться на качественные и количественные модели, показывающие влияние тех или иных параметров воздействия на жизнь растительных и животных организмов, что помогает ему осознать возможные негативные последствия своей профессиональной деятельности и понять свою ответственность за совершенные действия.

Поэтому в рамках изучения дисциплины «Экология» в настоящем учебном пособии рассмотрены не только основные вопросы, цели и задачи экологии, но также приведены примеры составления моделей экологических процессов, что, несомненно, способствует развитию у студентов комплексных представлений о своей будущей профессиональной деятельности, а также способствует освоению ими

3

общекультурных и профессиональных компетенций в рамках получения университетского образования. В частности, развивается способность студента использовать основные естественнонаучные законы для понимания окружающего мира и явлений природы. Студенты овладевают навыками и приёмами использования основных естественнонаучных законов, связанных с пониманием окружающего мира и явлений природы; приобретают умение использовать основные естественнонаучные законы, связанные с пониманием окружающего мира и явлений природы; получают знание основных естественнонаучных законов, связанных с пониманием окружающего мира и явлений природы.

4

ВВЕДЕНИЕ

Университетское образование характеризуется тем, что подразумевает получение студентом некоторых основополагающих законов, универсальных знаний, фундаментальных понятий, которые могут быть впоследствии с успехом использованы в различных отраслях науки и техники. В связи с этим возникает необходимость так организовать трансляцию (передачу) знаний от преподавателя к студенту

– молодому исследователю, чтобы, получая какую-либо информацию, студент, во-первых, видел взаимосвязь этой информации с другими знаниями (например, полученными ранее в школе); во-вторых, мог применить эти знания как в типовой, так и в новой, нестандартной ситуации. Именно в таком случае университетское образование выполнит своё основное задание – подготовить человека к решению необходимых профессиональных (и, возможно, личных) задач.

Одним из фундаментальных методов исследования, который может применяться практически в любой области познания, является метод моделирования, позволяющий изучать тот или иной объект с помощью записи и решения математических уравнений (или построения и анализа математических моделей), а также проведения аналогий между физическими и биологическими процессами.

В пособии приведены примеры того, как можно проводить исследование различных экологических процессов путем построения соответствующих, достаточно несложных моделей и их последующего анализа. Такой подход, по мнению авторов, позволит исследователям по-новому, порой нестандартно, взглянуть на экосистемы и другие биологические объекты, что, возможно, даст им ключ к решению поставленных перед ними задач или позволит привлечь знания из других областей науки, что часто бывает достаточно плодотворным подходом к исследованию.

Пособие предназначено для молодых исследователей, студентов, аспирантов, сотрудников научных организаций.

5

1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ЭКОСИСТЕМАХ

1.1. Структура и свойства экосистем в целом

Термин «экосистема» впервые был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тэнсли, но само представление об экосистеме возникло значительно раньше. Экосистема – это совокупность объектов живой и неживой природы, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом и обменивающихся между собой веществом, информацией и энергией. Таким образом, экосистемы имеют «кибернетическую» природу [28].

Если говорить о структурных компонентах экосистем, то следует отметить, что их функционирование в большей степени обеспечивается взаимодействием трех основных составляющих: живого сообщества, потока энергии и круговорота веществ.

Первой составляющей выступает круговорот веществ, который подразумевает под собой многократное участие веществ в процессах, протекающих в природных объектах атмосферы, гидросферы и литосферы. Круговорот веществ под действием внутренней энергии Земли или внешней энергии Солнца называют геологическим; круговорот веществ в результате деятельности живых организмов – биологическим; а обмен веществ в результате производственной деятельности человека – антропогенным круговоротом. Следует отметить, что первые два круговорота замкнуты, в отличие от антропогенного. Последний же и приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению окружающей среды в результате своей разорванности.

Второй составляющей является энергетическая. Давно известно, что все экосистемы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой энергией и веществом. Энергетические потоки создают из хаоса природных веществ порядок, который наделяет живые структуры низкой энтропией и в то же время увеличивает ее вовне, в соответствии с законами термодинамики. А так как энтропия явля-

6

ется физическим мерилом количества связанной энергии (недоступной для использования) – это положительно влияет на экосистему в целом. Так, например, живые системы, используя часть имеющейся в них потенциальной энергии, способны самовосстанавливаться, а неживые системы приходится ремонтировать, используя внешнюю энергию [22].

Третья составляющая – это живые сообщества. Сообщество – это комплекс животных, растений и микроорганизмов, живущих на одной территории, под влиянием одних и тех же факторов и взаимодействующих между собой.

Несколько сообществ в сумме составляют экосистему, а сумма экосистем, включающая все живые организмы планеты Земля, составляет биосферу. Термин «биосфера» образован от греческих слов «bios» – жизнь и «sphaira» – шар, сфера. В буквальном переводе слово «биосфера» означает «сфера жизни». Этот термин впервые был введен в науку в 1875 г. австралийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом, который понимал под биосферой только совокупность всех живых организмов, обитающих на Земле, не замечая тесного взаимодействия живой и неживой природы планеты.

Учение о биосфере принадлежит русскому ученому В.И. Вернадскому, который установил закономерности взаимодействия живой

инеживой материи. Эти взаимодействия охватывают все геохимические процессы на Земле. В.И. Вернадский всегда подчеркивал планетарный и космический характер биосферы, отмечая в учении о биосфере, что атомы из живого вещества «переходят» в косное вещество биосферы и обратно, следовательно, происходит обмен веществ. Этот «переход» атомов выражается в никогда не прекращающемся росте, развитии, дыхании, размножении, причем эти процессы созидаются

иподдерживаются космической энергией Солнца [9, 30].

Несмотря на уникальность каждой отдельной экосистемы, всех их объединяют следующие общие свойства.

1. Эмерджентность. Это вновь появившееся, уникальное свойство экосистемы, возникшее в результате синергетического взаимодей-

7

ствия ее элементов (например, клетка не является простым объединением химических молекул, организм не является простым набором клеток, популяция не является механической совокупностью организмов).

2. Наличие «+» и «-» связей. В каждой экосистеме имеются обратные связи с разным знаком действия – положительные и отрицательные.

Элементы или подсистемы, связанные положительной обратной связью, склонны, если их не ограничивают другие связи, взаимно усиливать друг друга, создавая неустойчивость в системе. Например, повышение температуры на Земле провоцирует таяние ледников, что влечет за собой смещение центра тяжести земли и уменьшение альбедо, что в результате приводит к еще большему увеличению температуры. Отрицательные обратные связи, наоборот, приводят к стабилизации системы (например, численность хищника, отрицательно воздействуя на численность жертвы, стабилизирует ее и, как следствие, саму себя).

Данная зависимость ярко проявляется в принципе смещения химического равновесия Ле Шателье: «При выходе системы из состояния стабильного равновесия, оно смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется» [13].

Сочетание положительных и отрицательных обратных связей в экосистеме в ряде случаев (но не всегда) создает в ней колебательный режим.

3.Способность эволюционировать. Это еще одно свойство экосистем – изменяться во времени в соответствии с условиями существования и под действием внутренних законов. Так, например, вид эволюционирует как сложная система особей и популяций, вследствие этого эволюционирует и вся биосфера в целом. Параллельно с этим процессом идет процесс эволюции человеческого общества, систем его взаимодействия с природными комплексами.

4.Еще одна сторона систем – степень их централизованности или наоборот, децентрализованности. Устойчивость экосистем к внешним

8

воздействиям тем выше, чем больше число составляющих их видов, которые более или менее равноправны как элементы системы и могут до некоторых пределов заменять друг друга и поддерживать состояние экосистемы. Таким образом, децентрализованные системы являются наиболее устойчивыми.

5. Наличие пищевых связей в экосистеме – это еще одно важное свойство. Трофическая цепь (цепь питания) – ряд организмов (растений, животных, микроорганизмов), в котором каждое предыдущее звено служит пищей для последующего. Пищевая цепь включает обычно от 2 до 5 звеньев: фото- и хемосинтезирующие организмы (продуценты); растительноядные животные (фитофаги) — первичные консументы (потребители); плотоядные животные (хищники) — вторичные консументы и редуценты (грибы, одноклеточные организ-

мы) [22, 28].

Цепи бывают простыми и короткими «осина – заяц – лиса», бывают сложными «трава – насекомые – лягушки – змеи – хищные птицы».

1.Первое звено – это продуценты, организмы, способные к синтезу органических веществ из неорганических, то есть все авто-, фото- и хемотрофные организмы. К группе продуцентов относят почти все зеленые растения и некоторые бактерии.

2.Второе звено – консументы (от лат. consumo — потребляю), организмы, являющиеся в пищевой цепи потребителями органического вещества. Это все гетеротрофные организмы, к которым относятся: человек, все животные, некоторые растения, большинство бактерий, грибы.

Хищники, питающиеся растительноядными животными, и «суперхищники», питающиеся как растительноядными, так и более мелкими хищниками, составляют уровни консументов 2 и 3 порядков.

Последнее звено – редуценты (сапротрофы) (от лат. reducens – возвращающий, восстанавливающий), организмы, разлагающие мертвое органическое вещество (трупы, отбросы) и превращающие его в неорганические вещества, которые в состоянии усваивать другие организмы — продуценты [30].

9

Контрольные вопросы

1.Что такое экосистема? Приведите примеры различных экосистем.

2.Как называется самая крупная экосистема? Кто впервые ввел данный термин?

3.Перечислите три основных составляющих экосистемы.

4.Какие виды круговорота веществ вы знаете?

5.Опишите энергетические процессы, протекающие в живых системах.

6.Что такое «сообщество»?

7.Какие свойства экосистем вы знаете?

8.Что такое «трофическая цепь»?

9.Какие звенья трофической цепи вы знаете?

1.2. Гомеостаз как состояние экосистемы

Гомеостаз (от греч. homoios – подобный, одинаковый и stasis – неподвижность, состояние) – это свойство популяции или экосистемы сохранять в постоянно изменяющихся условиях окружающей среды устойчивый динамический баланс (равновесие). Понятие «гомеостаз» зачастую характеризует состояние равновесия систем различного уровня. Так, клеточный гомеостаз подразумевает поддержание специфических физико-химических условий в клетке; гомеостаз на организменном уровне – поддержание постоянства его внутренней среды (например, состава крови); гомеостаз популяции – поддержание генетического разнообразия, плотности и структуры популяции. На уровне более крупных систем – биосферы, экосистемы, подразумевается постоянство форм взаимодействия между биологическими видами, постоянство круговорота веществ и состава природных объектов и сред.

Любое изменение популяции – это результат нарушения равновесия между биотическим потенциалом и сопротивлением окружающей её среды. Подобное равновесие является непрерывно регулирующимся, так как факторы сопротивления среды редко подолгу остаются неизменными. Например, засушливый год провоцирует снижение плотности популяции, а дождливый способствует ее полному восстановлению. Подобные колебания продолжаются неопределенно долго и требуют непрерывной регуляции гомеостаза.

10