Основні поняття сучасної екології, системність екології

Сучасні екологічні уявлення спираються на широку понятійну базу, запозичену з біології, географії, економіки, соціології, філософії, а також ту, що виникла в процесі формування екології як науки.

Основним поняттям і основною таксономічною і функціональною одиницею в екології є екосистема (Тенслі, 1935 р.).

Екосистема – будь – яке угруповання живих істот та середовища їх існування, об'єднаних в єдине функціональне ціле.

Екосистема – складна система, що самоорганізується, саморегулюється і саморозвивається. Основною характеристикою екосистеми є наявність відносно замкнених, стабільних у просторі та часі потоків речовини і енергії між біотичною та абіотичною частинами екосистеми. З цього слідує, що не всяка біологічна система може називатися екосистемою. Наприклад, не є екосистемою акваріум та трухлявий пень, оскільки вони не є у достатньому ступені самодостатніми та саморегульованими (акваріум). Якщо перестати регулювати умови та підтримувати характеристики на одному рівні, акваріум як система достатньо швидко руйнується. Такі угруповання не формують самостійних замкнених циклів речовини і енергії (пень), а є лише частиною великої системи.

Екосистема є відкритою системою і характеризується вхідними та вихідними потоками речовини і енергії. Основа існування практично будь – якої екосистеми – потік енергії сонячного світла у прямому (фотосинтез) та опосередкованому (розкладання органічної речовини) вигляді, за виключенням глибоководних екосистем, джерелом енергії в яких є внутрішнє тепло Землі та енергія хімічних реакцій.

В екосистемі можна виділити 2 компоненти – біотичний та абіотичний. Біотичний поділяється на автотрофний (організми, що отримують первину енергію для існування шляхом фото – та хемосинтезу, або продуценти) і гетеротрофний (організми, що отримують енергію з процесів окислення органічної речовини – консументи і редуценти) компоненти, що формують трофічну структуру екосистеми. Єдиним джерелом енергії для існування екосистеми та підтримання в ній різних процесів є продуценти, які засвоюють енегію сонця з ефективністю 0,1 – 1%, рідко 3 – 4,5% від початкової кількості. Автотрофи являють собою перший трофічний рівень екосистеми. Наступні трофічні рівні екосистеми формуються за рахунок консументів (другий, третій, четвертий на наступні рівні) і замикаються редуцентами, які переводять неживу органічну речовину у мінеральні форму (абіотичний компонент), яка може бути засвоєна автотрофним елементом.

Основні властивості екосистеми – здатність здійснювати колообіг речовин, протистояти зовнішнім впливам, створювати біологічну продукцію.

Головна властивість екосистеми - взаємозв'язок та взаємозалежність всіх її компонентів.

глобальна екосистема Землі – біосфера.

Близьким до поняття «екосистема» є поняття «біоценоз» (Сукачев). Його зазвичай застосовують тільки для сухопутних природних систем, в нього обов'язково входить рослинний покрив (наприклад, ділянка лісу, степи, луки).

Кожний біоценоз складається з багатьох видів, але види входять до нього не окремими особинами, а популяціями. Популяція – це частина виду (сукупність особин одного виду), що займає відносно однорідний простір і здатна до саморегулювання та підтримання певної чисельності.

Поняття «екосистема» можна застосовувати до об'єктів різного ступеня складності та величини. Прикладом екосистеми може слугувати тропічний ліс в певному місці та в конкретний момент часу, населений тисячами видів рослин, тварин і мікробів, що живуть разом і пов'язані взаємодіями. Екосистемами є такі природні утворення, як океан, море, озеро, лук, болото.

Кожна екосистема може характеризуватися певними границями (екосистеми ялинкового лісу, екосистема низинного болота). Проте саме поняття «екосистема» є безранговим. Воно володіє ознакою безрозмірності, їй не властиві територіальні обмеження. Зазвичай екосистеми розмежуються елементами абіотичного середовища, наприклад рельєфом, видовим різноманіттям, фізико – хімічними та трофічними умовами. Розмір екосистем не може бути виражений у фізичних одиницях виміру (площа, довжина, об'єм). Він виражається системною мірою, що враховує процеси обміну речовини і енергії. Тому під екосистемою зазвичай розуміють сукупність компонентів біотичного (живі організми) і абіотичного середовища, при взаємодії яких відбувається більш або менш повний біотичний обіг, в якому беруть участь продуценти, консументи і редуценти.

Особливості природних екосистем:

• сукупність живих та неживих компонентів;

• повний цикл обігу речовин, починаючи від створення органічної речовини і закінчуючи його розкладанням на неорганічні складові;

• збереження стійкості протягом певного часу

Термін «екосистема» засосовується й по відношенню до штучних утворень, наприклад, екосистема парку, сільськогосподарська екосистема (агроекосистема).

Штучна екосистема – екосистема, створена в результаті діяльності людини. Приклади штучних екосистем: парк, поле, сад, город.

Відмінності штучної екосистеми від природної:

• невелике число видів;

• домінування організмів одного або декількох видів (наприкла, пшениця в полі);

• короткі ланцюги живлення через невелику кількість видів;

• незамкнений колообіг речовин внаслідок значного виносу органічних речовин та вилучення їх з колообігу у вигляді урожаю;

• невисока стійкість та нездатність до самостійного існування без підтримки людини

Екосистемний підхід знайшов свою відображення в Конвенції стійкого розвитку (1992).

Екосистемний підхід являє собою стратегію комплексного управління земельними, водними і живими ресурсами, яка забезпечує їх збереження та стійке використання на справедливій основі. Основу екосистемного підходу складають застосування відповідної наукової методології, що охоплює в всі рівні біологічної організації, включаючи основні структури, процеси, функції та взаємозв'язки між організмом та довкіллям. Цей підхід визнає, що люди з усім культурним розмаїттям є невід'ємною частиною багатьох екосистем.

Екосистемний підхід вимагає гнучкого адаптивного управління, що враховує як комплексну і динамічну природу екосистем, так і відсутність повного розуміння механізмів їх функціонування. Процеси в екосистемах найчастіше носять нелінейний характер, а їх результати нерідко бувають відстроченими, в результаті чого відсутність строгих закономірностей може створювати певну неясність або призводити до неочікуваних результатів. Управління повинно бути достатньо гнучким, щоб вчасно реагувати на труднощі, що виникають, та використовувати у своїй тактиці елементи «навчання в процесі роботи» або зворотнього зв'язку з науково – дослідницькими працівниками. Прийняття заходів може бути необхідним навіть в тому випадку, коли кінцевий зв'язок причини і наслідків ще науково не встановлений повною мірою.

Екологія як наука розглядає екологічні системи, ланки та елементи яких знаходяться у тісній взаємодії та взаємозалежності, тобто в її основі лежить системна концепція. У відповідності із системною концепцією, весь світ, що нас оточує, матеріальний та нематеріальний, являє собою систему, що складається з множини систем різного порядку та зв’язків між ними. Системна парадигма домінує в сучасній науці.

Найпростіше визначення системи – сукупність взаємодіючих елементів, що складають деяку більш або менш обмежену цілісну єдність. Передбачається, що зв’язки взаємодії між елементами всередині системи сильніші за зовнішні по відношенню до системи навіть з абсолютно ідентичними елементами. У системи є межі – морфологічні або функціональні. Система саморозвивається і саморегулюється, є визначеним способом впорядкованою матеріально – енергетичною та інформаційною сукупністю, існує та управляється як єдине ціле за рахунок взаємодії, розподілу та перерозподілу речовини, енергії та інформації.

Зазвичай виділяють три типи систем:

1. Замкнені, які не обмінюються з сусідніми системами ні речовиною, ні енергією.

2. Закриті, які обмінюються з сусідніми енергією, але не речовиною (наприклад, космічний корабель).

3. Відкриті, які обмінюються з сусідніми і речовиною, і енергією. Практично всі природні (екологічні) системи відносяться до типу відкритих.

Існування системи є немислимою без зв’язків, які поділяють на прямі та зворотні. Прямим називають такий зв’язок, при якому один елемент (А) діє на інший (В) без реакції у відповідь. Наприклад, дія Сонця на земні процеси. При зворотньому зв’язку елемент В відповідає на дії елемента А. Зворотні зв’язки бувають позитивні та негативні. Зворотній позитивний зв’язок веде до підсилення процесу в одному напрямку. Зворотній негативний зв’язок діє таким чином, що у відповідь на підсилення дії елемента А збільшується протилежна за напрямком сила дії елемента В. Такий зв’язок дозволяє зберігатися системі в стані динамічної рівноваги. На них, перш за все, базується стійкість та стабільність екосистем. Це найбільш поширений і найважливіший вид зв’язків в природних системах «хижак – жертва», «паразит – хазяїн».

Людська діяльність в природі призводить до порушення цих зв’язків, що веде до руйнування екосистем або переходу їх в інший стан.

Важко виділити найбільш загальну закономірність складання систем. Такою може слугувати закон подібності частини та цілого, або біоголографічний закон – частина є мініатюрною копією цілого, атому всі частини одного рівня ієрархії систем схожі одна на одну. Приклади: модель атома і сонячної системи; органзм, що складається з багатьох клітин і одноклітинний, при цьому кожна клітина генетично являє собою модель цілого багатоклітинного організму. Закон подібності частини та цілого не є абсолютним. Електрон ніяк не може бути моделлю організму, а окремі гени аналогічні і навіть ідентичні у видів, які систематично дуже далекі.

Закон подібності чатини і цілого не означає їх абсолютної ідентичності. Навпаки, ще в античні часи була сформульована аксіома: ціле більше суми його частин, або аксіома емерджентності: ціле завжди має особливі властивості, відсутні у його частин – підсистем і не рівне сумі елементів, не об’єднаних системоутворюючими зв’язками. При складанні системного цілого інтеграція, що утворюється, підпорядковується іншим законам формування, функціонування і еволюції. Образно говорячи, одне дерево ще не ліс, як і група дерев, а механічне поєднання хімічних елементів, молекул органічних речовин, навіть тканин і органів, не дає організму. Для лісу необхідно поєднання всіх його екологічних компонентів, що складають саме його екосистему, утворення колообігів речовин, регуляція потоку енергії, в тому числі утворення власного біоклімату. При вісй очевидності аксіоми емерджентності її не завжди усвідомлюють в практичній діяльності.

Очевидно, що ніяка система не може сформуватися з абсолютно ідентичних елементів. Звідси витікає закон необхідної різноманітності. Навіть в кристалічні гратці положення атомів в ній робить їх функціонально різними. Сільськогосподарська монокультура взагалі лише метафоричне поняття, якщо це не стерильна гідро – або аеропоніка одного клону рослин. В будь – якій монокультурі беруть участь сотні видів мікроорганізмів, грибів, рослин (бур’яни) та тварин (грунтові, шкідники).

Для кожного типу систем необхідна різноманітність є кількісно різною і часто строго фіксованою. Нижня межа – не менше двох елементів (білки і нуклеїнові кислоти, самець і самка), верхня межа – нескінченність.

Системні утворення складаються з підсистем. Їх необхідне число та різноякість також більш або менш постійні. Закон (правило) повноти складових: число функціональних складових системи і зв’язків між ними повинно бути оптимальним – без нестачі або надлишку залежно від умов середовища та типу системи.

Чато системи мають більш фіксований (іноді абсолютно) ліміт складових. Наприклад, молекула речовини у будь – яких умовах, залишаючись сама собою, складена певним числом атомів. Строго говорячи, чіткі ліміти характерні для всіх систем, але екологічні їх модифікації часто не втрачають функціональних рис й за великого розкиду числа складових. Для них характерні природні коливання кількості видів, що входять до екосистеми. Розмах коливань обмежений законом необхідної різноманітності.

При всіх коливаннях числа складових воно підпорядковується дії закону надлишку ситемних елементів при мінімумі числа варіантів організації: більшість динамічних систем прагне до відносної надлишковості основних своїх складових при мінімумі варіантів організації. Надлишковість числа елементів нерідко слугує обов’язковою умовою існування системи, її якісно – кількісною саморегуляції та стабілізації надійності, забезпечує її квазірівноважний стан. В той самий час число варіантів організації жорстко лімітоване. Природа часто повторюється, її фантазія, якщо говорити не про число і різноманітності однотипних елементів, а про кількість самих типів організації, дуже обмежена. Звідси багаточисленні структурні аналогії і гомології, подібні форми організації суспільних процесів.

Прагнуть до надлишковості, наприклад, демографічні і економічні процеси, а також їх наслідки (наприклад, розорювання земель, урбанізація). Проте є в наявності і стратегія самообмеження, спрямована на заміну кількісного росту якісним удосконаленням: піклування про потомство, більша його життєвість, інтенсифікація виробництва. Принцип переходу надлишковості у самообмеження може бути сформульований у наступних словах: надлишковість системних елементів може бути замінена підвищенням якості цих складових (індивідуальної надійності) або їх агрегації, в тому числі у функціональні надсистеми. Факточно весь світ, починаючи від «Великого вибуху» пр формуванні нашої Галактики, підтверджує справедливість цього принципу.

Фіксоване число різноякісних елементів виникає під тиском об’єктивних причин. Рушійним механізмом слугує «вигода» більшої надійності при об’єднанні – дія правила конструктивної емерджентності: надійна система може бути складена з ненадійних елементів або з підсистем, не здатних до індивідуального існування. Приклади цього правила надзвичайно різноманітні. Це колоніальні організми (корали) і суспільні комахи, ієрархічна природа природних систем. Закон (правило) переходу в підсистему або принцип кооперативності: саморозвиток будь – якої взаємопов’язаної сукупності, її формування в систему призводять до включення її як підсистеми в надсистему, що утворюється або вже існує: відносно однорідні системні одиниці утворюють єдине ціле. «Кооперативний ефект» проявляється на всіх рівнях організації матерії, його часто називають системним або системоутворюючим, ефектом. Фундамент виникнення кооперативного ефекту – значний речовинно - -енергетичний виграш. Ця перевага поступово росте згідно закону (принципу) збільшення ступеня ідеальності або «ефекту чеширського кота»: гармонічність відносин між частинами системи історико – еволюційно зростає. Цей принцип практично не має виключень, буть до відносини типу хижак – жертва або господарь – паразит, морфолого – фізіологічна кореляція органів в індивиді, взаємовідносини держав у світовому суспільстві.

Ітоговим узагальненням і розвитком перерахованих закономірностей складання систем слугує закон оптимальності: з найбільшою ефективністю будь – яка система функціонує в деяких характерних для неї просторово – часових межах. Розмір системи повинен відповідати функціям, що нею виконуються. Наприклад, щоб народжувати живих дитинчат та годувати їх молоком, самка ссавця не повинна бути ні мікроскопічною, ні гігантською; щоб літати, птах не повинен бути надто великим. В будь – яку епоху розмір національних держав є строго обмеженим, імперії, що страждають «синдромом динозавра», приречені на розпад. В той же час, виходячи із закону переходу в підсистему, держави не можуть не кооперуватися, в тому числі у сфері природокористування. Це дає їм можливість користуватися перевагами конструктивної емерджентності.

Система «людина – природа» виступає по відношенню до людства як «споживач – ресурси». З точки зору характеру взаємовідносин людина виступає як «разумно – неразумний» паразит: по загрозам глобальних наслідків і результатам локальних екологічних катастроф, а також по загальному ходу процесу руйнування середовища існування вона нерозумна, але за декларованому прагненню до збереження цього середовища є розумною. Повне знищення окремих видів, екосистем і збільшення темпів опустелювання робить людину нерозумним споживачем. Одночасно теперішня швидкість росту його популяцій може бути характеризована як аномальна.

Хід історичних змін зв’язків між природою і людиною призводив до одночасним змінам в природі і формах господарства. Очевидно, що форми господарства мінялися внаслідок тих труднощів, які виникали від змін в природі. В свою чергу зміни в господарстві викликали ланцюгові реакції в природі. Цей постійний зворотній зв’язок отримав назву закону бумерангу, або закону зворотнього зв’язку взаємодії людина – біосфера П. Дансеро (1957), або четвертого закону Б. Комонера (1974): «ніщо не дається задарма».

Неминучість платежів підкреслюється також законом незамінності біосфери: скорочення природньої біоти в об’ємі, що перевищує порогове значення, лишає стійкості довкілля, яке не може бути відновлене за рахунок створення очисних споруд або переходу до безвідходного виробництва; біосфера являє собою єдину систему, що забезпечує стійкість середовища існування за буть – яких виникаючих збуреннях; необхідно зберегти природне середовище на більшій поверхні Землі, а не в генних банках, резерватах, заповідниках і зоопарках.

Закон незворотності взаємодії людина – біосфера: відновні природні ресурси стають невідновними у випадку глибокої зміни довкілля, значної переексплуатації, що призводить до поголовного винищення або крайнього виснаження, а тому перевищення можливостей їх відновлення. Саме така фаза розвитку системи взаємовідносин людина – природа у наші дні. Сучасна цивілізація і культура не забезпечують стабільних умов існування на Землі на життя, ні людини як її частини.

Ця констатація вимагає формулювання правила міри перетворення природних систем: в ході експлуатації природних систем не можна переходити деякі межі, що дозволяють цим системам зберігати властивість самопідтримання (самоорганізації та саморегуляції) і зазвичай обмежені помітними змінами системи.