Системная экология. Учебное пособие

3 РАЗВИТИЕ

ПРЕДСТАВЛЕНИЙ ОБ ЭКОСИСТЕМЕ И БИОСФЕРЕ

Оболочка Земли, в которой в настоящее время поддерживается жизнедеятельность активной биомассы, называется современной биосферой, или экосферой.

Впервые к идее биосферы, по мнению В. И. Вернадского, пришел Ж. Б. Ламарк, хотя он и не ввел для ее обозначения специального термина. Близкие по содержанию взгляды высказывал и А. Гумбольдт. Термин «биосфера» был введен в научный оборот австрийским геологом Эдвардом Зюссом (1873). Содержание понятия автором не было строго определено и не сразу стало общеупотребительным.

В. И. Вернадский (1919, 1926) использовал термин и наполнил его содержанием, назвав биосферой общепланетарную оболочку, охватывающую тропосферу, гидросферу и литосферу. Он указал на преобразующую деятельность древних и современных организмов в изменении «лика Земли», развил учение о космической роли жизни в геологической истории Земли. В. И. Вернадский обозначил современный слой активной жизни «пленкой жизни».

12

Одновременно с В. И. Вернадским и после него для обозначения поверхностной оболочки Земли, где происходит взаимодействие «живого вещества» с неживым, применялись иные термины. Р. А. Аболин применил термин «эпигенема» (1914), В. С. Говорухин (1949) – «фитосфера», Ю. К. Ефремов (1959) – «биогеосфера», В. Н. Сукачев (1964) – «биогеоценотический покров», Е. М. Лавренко (1964) «фитогеосфера», А. Н. Тюрюканов и В. Д. Александрова (1969) – «витасфера». В 1958 г. Л. Кол (Соlе, 1958) назвал совокупность всего живого на Земле, вместе с его непосредственным окружением и ресурсами, «экосферой».

В. Д. Федоров и Т. Г. Гильманов, используя термин Кола, понимают «экосферу» как глобальную систему, объединяющую все современные экосистемы Земли.

Верхняя граница экосферы проходит на высоте нескольких метров (до 30 м) над поверхностью растительного покрова на суше, доходит до первого водоупорного горизонта, на котором залегает горизонт грунтовых вод, или до максимальной глубины проникновения корней растений, ходов животных. В водной среде нижняя граница соответствует максимальной глубине сохранения биологической активности в донных осадках.

Таким образом, экосфера непрерывной оболочкой покрывает земной шар, ее толщина на суше колеблется от долей метра до десятков и сотен метров; от единиц до тысяч метров в морях и океанах. По Вернадскому, биосфера простирается по вертикали на несколько километров и включает область существования всех былых экосфер.

Современная экосфера гетерогенна (распределение биомассы на Земле неравномерно), это обусловлено следующими причи- нами:

1)широтной зональностью климатических условий;

2)разнообразием геологического строения суши и океана;

3)влиянием атмосферы, океанических течений и других глобальных явлений.

Детали строения экосферы могут быть обусловлены также геоморфологическим строением, пестротой состава почвообразую-

13

щих пород, местными особенностями климата, гидрологического режима и т.п.

Âто же время экосфера континуальна, т. е. покрывает непрерывной «пленкой жизни» всю планету. Отдельные участки континуума более однородны, поэтому можно рассматривать и дискретную модель экосферы. Элементарные ее фрагменты должны обладать двумя признаками: во-первых, относительной устой- чивостью и автономностью, способностью к самоподдержанию и отправлению основных жизненных процессов; во-вторых, невозможностью присоединения соседних фрагментов или их частей без нарушения качественной однородности данного фрагмента. Такими элементарными единицами экосферы являются экосистема и биогеоценоз, или элементарный ландшафт (Б. Б. Полынов). Во всех трех случаях системообразующая роль принадлежит растительному сообществу, во всех трех случаях – это тип фитоценоза. Важно отметить, что через биогеоценоз, как считает

Í.Â. Тимофеев-Ресовский с соавторами, не проходит ни одна установимая существенная граница.

Статус самостоятельной экосистемы определяется по ряду критериев:

1) в экосистеме как самостоятельном ландшафте отсутствуют внутренние причины, ограничивающие его размеры (А. И. Перельман, 1962, 1975). Например, пятно солончака в несколько квадратных метров следует считать экосистемой, так как существуют солончаки размером в сотни раз больше. В то же время болотная кочка, пень, муравейник, нора суслика не могут увели- чиваться в сотни раз и их не следует считать самостоятельными экосистемами;

2) можно применять временной критерий выделения экосистем, а именно экосистемой будет хвойный лес (климаксная экосистема), так как он существует длительно, а разлагающийся пень или зарастающее ветровальное световое пятно в лесу, существующие лишь несколько лет, экосистемой не являются.

Âконтинууме водной среды также возможно выделение экосистем. Основанием для этого служат неоднородность водных масс и донных территорий, резкие градиенты геологических

14

4 МЕТОДЫ СИСТЕМНОЙ

ЭКОЛОГИИ

Если основным специфическим предметом экологии является экосистема, то методологической основой этой науки является системный подход. Системный подход – это особое направление исследования, ориентированное на изучение специфических характеристик сложноорганизованных объектов, многообразия связей между элементами, их разнокачественности и соподчи- нения.

Специфика системного исследования определяется не усложнением методов анализа, а формированием новых принципов подхода к объекту изучения. Этому способствует проникновение в биологию принципов и методов кибернетики, развитие вычислительной техники.

4.1. Фундаментальные понятия и знаковая символика системного подхода

Система S образована множеством элементов Õ – это состав системы.

Õ = {x1, x2, ¾, xn}, ãäå n – количество элементов системы.

16

Элементы x1, ¾ xn связаны между собой различными связями и отношениями – это системообразующие отношения, они превращают набор элементов в целостную систему.

Каждая система S воздейтвует сама и испытывает на себе воздействие со стороны множества внешних систем S1, S2, Sm, Sm+1, ¾ Избрав определенную меру интенсивности воздействия, можно установить конечное число внешних систем S1, ¾, Sm.

Множество внешних систем, находящихся в существенной связи с данной системой, назовем непосредственной окружающей средой системы S и обозначим V.

V = {S1, S2, ¾ Sk}, ãäå k – конечное число внешних систем.

Множество связей (отношений) элементов системы между собой, а также элементов системы с внешней средой назовем структурой системы S и обозначим Σ.

∑ = {σ1, ¾ σr},

ãäå r – число всех рассматриваемых связей.

Внешняя среда, состав и структура системы могут изменяться с течением времени, и это можно выразить записью:

V = V(t) = {S1(t), ¾ Sk(t)},

X = X(t) = {õ1(t), ¾ õn(t)},

∑ = ∑(t) = {σ1(t), ¾ σr(t)}.

Система V работает, функционирует. Функцией системы V назовем закон (совокупность правил) F, по которому в зависимости от внешних факторов V(t) происходит изменение во времени внутренних элементов X(t) и структуры ∑(t) системы S.

Из этого можно дать определение понятия системы.

Системой S(t), функционирующей в окружающей среде

V(t) = {S1(t), ¾ Sk(t)}, называется объект S(t) = S(V(t), X(t), ∑(t),

F), образованный элементами множества X(t) = {X1(t), ¾ Xn(t)}, которые связаны между собой и с окружающей средой

17

определенными связями (отношениями). Совокупность связей

образует структуру ∑(t) = {σ1(t), ¾ σr(t)}. Состав X(t) и структура ∑(t) изменяются во времени в соответствии с функцией F.

Системный подход к изучению любого объекта, например экосистемы, состоит, во-первых, в определении ее составных частей õ1 ¾ õn и взаимодействующих с ней объектов окружающей среды S1 ¾ Sk; во-вторых, в установлении структуры экосистемы, т. е. совокупности внутренних связей и отношений σ1, ¾ σr, а также связей между экосистемой и окружающей средой; в-третьих, в нахождении функции F (закона функционирования экосистемы), определяющей характер изменения компонентов экосистемы и связей между ними под действием внешних объ-

ектов S1(t), ¾ Sk(t).

Для решения этих трех основных задач имеются разнообразные методы исследования, которые можно объединить в три группы: полевые наблюдения, эксперименты в поле и в лаборатории, моделирование.

4.2. Полевые наблюдения

Метод непосредственного наблюдения в естественных условиях подразумевает невмешательство наблюдателя. Это исторически первый и наиболее важный прием экологического исследования в интактном режиме. Его также называют (Д. Н. Кашкаров, 1938) эколого-географическим методом.

Полевые исследования экосистем призваны решать следующие задачи:

1.Выделение основных типов экосистем и их взаимосвязей

âизучаемом ландшафте.

2.Определение видового состава организмов, населяющих каждую из экосистем, установление соответствующего ей микроклимата, типа почвы, почвообразующей породы, характера гидрологического режима.

3.Идентификация структуры экосистемы на качественном уровне, т. е. получение общей картины отношений между вида-

18

ми, установление характера связей организмов со средой и друг

ñдругом.

4.Получение количественных оценок для основных показателей состава экосистемы: плотности популяций, основных переменных состояния микроклимата, почвы в наземных экосистемах или характеристик водной массы.

5.Количественная идентификация структуры экосистемы, т. е. количественное описание функциональных связей между компонентами системы и внешних воздействий на нее.

6.Комплексное описание сопряженной динамики всех компонентов экосистемы в сезонном, годовом и многолетнем аспектах. Это может служить основой глубокого анализа закономерностей функционирования данной экосистемы и ее сравнения

ñдругими экосистемами.

Применение метода полевых наблюдений имеет ряд трудностей, таких как антропогенное искажение состава экосистем изучаемого ландшафта, континуальный характер пространственного изменения абиотических факторов и биоты, миграция популяций, сукцессионные изменения и пр.

Методики полевого изучения экосистем изложены в науч- ной литературе. Во многих руководствах подчеркивается необходимость системного подхода или проведения комплексных исследований. Наивысшим достижением в области полевых экологических наблюдений можно считать программы комплексного экологического мониторинга в биосферных заповедниках, в соответствии с проектом организации Глобальной системы мониторинга окружающей среды (Париж, 1973).

4.3. Эксперимент

Отличие эксперимента от наблюдения заключается в том, что исследователь следит за экосистемой, в которой им сознательно произведены определенные изменения. Можно выделить следующие категории экспериментов: практически неконтролируемые, когда воздействие на экосистему осуществляется только в начале

19

опыта, а затем исследователь ведет наблюдение за последствиями – это полевые эксперименты; полностью контролируемые, что возможно осуществить только в фитотронах, акватронах и других управляемых лабораторных «микрокосмах» (лабораторные эксперименты), и, наконец, контролируемые по некоторым факторам (полевые и лабораторные).

Примеры экспериментов:

1.Однофакторный эксперимент. Он направлен на изучение влияния одного избранного фактора при фиксированных зна- чениях остальных. Этот тип эксперимента более подходит для изучения неживой природы.

2.Многофакторный эксперимент (основы метода разработаны Ренальдом Фишером в 30-е годы ХХ в.). Применение многофакторных экспериментов в экологии эффективно и позволяет, например, дать оценку зависимости первичной продукции от освещенности, концентрации биогенных элементов и прочих факторов.

Лабораторные, даже многофакторные, эксперименты не могут с необходимой точностью отобразить натурные экосистемы, поэтому лабораторный эксперимент необходимо дополнять полевыми экспериментами и наблюдениями.

4.4.Моделирование

Метод моделирования – это построение, проверка, исследование моделей и интерпретация полученных результатов.

Сущность метода состоит в том, что наряду с системойоригиналом S0 = S0 (V0, X0, ∑0, F0) рассматривается ее модель, т. е. некоторая другая система (образ оригинала) S = S (V, X, ∑, F), при моделирующем отображении f. Это можно обозна- чить как

f : (S0) → S,

где скобки обозначают, что f – это частично определенное отображение, т. е. не все черты состава и структуры оригинала отображаются моделью.

20