Ekologia / 2

Л - 2

Екологія як системна наука

Принцип системності – провідний принцип у вивченні природних комплексів.

Принцип системності – загальнонауковий філософський принцип, в основі якого лежить поняття про систему. Один із засновників теорії систем Л. Берталанфі (1973) визначив систему як цілісну сукупність елементів, що знаходяться у взаємозв’язку так, що їхнє незалежне існування неможливе.

Методологічна основою системного підходу в екології – це 3 основні положення:

1. Будь-яка екологічна система від організму до біосфери - це внутрішньо погоджена, організована цілісність, що функціонує як одиничне ціле за рахунок взаємодії компонентів цієї системи;

2. Біологічні та екологічні системи динамічні, вони змінюються в тій чи іншій амплітуді, зберігаючи свою цілісність;

3. Системи природи мають здатність до розвитку, самоорганізації та ускладнення.

Одна із задач екології – класифікація тих систем, із якими вона пов’язана. Л. Барталанфі поклав в основу класифікації систем поняття їхнього ієрархічного порядку. Наприклад, така ієрархія: поле – плазма – молекули – елементарні частинки атоми; міцели – клітини – органи – організми.

Відповідно до теорії систем вони поділяються на 3 види:

1. відкриті системи, які обмінюються з навколишнім середовищем речовиною та енергією;

2. закриті системи – тільки енергією;

3. ізольовані системи – повністю ізольовані від середовища.

Екологія має справу з відкритими системами.

Розрізняють внутрішню та зовнішню структуру системи. Внутрішня – це система сама в собі; зовнішня – її зв’язки з елементами, що необхідні для забезпечення цілісності та функціонування даної системи. Той чи інший елемент може виступати як частина різних систем, знаходячись на їх, перетині.

Екосистема як об’єкт вивчення екології. Екосистеми світу та України.

Об’єкти вивчення екології.

Об’єкт вивчення екології – екосистема (живі організми та абіотичні середовища).

Основні, обов’язкові для живих організмів властивості:

1. Живі організми характеризуються певним хімічним складом, обов’язковим компонентом їхнього тіла є білки та нуклеїнові кислоти.

2. Живі організми характеризуються високовпорядкованою будовою, що самопідтримується протягом їхнього існування. Ця особливість складає суть принципу організованості.

3. Життєдіяльність полягає в тому, що організми постійно отримують із навколишнього середовища енергію та багато різних речовин. В той же час вони виділяють у навколишнє середовище продукти своєї життєдіяльності. Ця властивість живих організмів називається метаболізм або обмін речовин.

4. Існуючі, живі організми постійно змінюють свої розміри та властивості, тобто розвиваються.

5. Живі організми розмножуються. Самоутворення живих організмів із неживої матерії поки ще не зареєстровано. Ця закономірність називається принципом біогенезу.

6. Інформація про особливість кожного виду живих організмів зберігається в них самих, як генетичний код. При розмноженні вона зчитується й передається нащадкам.

Інша форма елементарних об’єктів в екології – це абіотичні компоненти, що входять до складу екосистем та біосфери.

Існує багато варіантів класифікації абіотичних факторів середовища.

Виділяють 3 групи абіотичних факторів:

• Кліматичні, пов’язані з атмосферою та сонячною радіацією (температура, освітленість, вологість повітря, вміст кисню, солі, вітер і т. д.).

• Едафічні – в основному ґрунтові параметри (кількість у ґрунті елементів елементів мінерального живлення, вміст гумусу, насиченість ґрунту повітрям, РН ґрунтового розчину та ін.).

• Фактори, що діють у товщі води та мають значення для водних екосистем.

Біотичні – це весь комплекс впливу на даний організм, що виникає в результаті його співіснування з іншими рослинами та тваринами.

Метод моделювання в екології

Методи екологічних досліджень

Екологія – це комплексна наука. Має широкий арсенал методів, які ділять на основні групи:

1. Методи, за допомогою яких збирається інформація про стан екологічних об’єктів: рослин, тварин, мікроорганізмів, біосфери.

2. Методи обробки отриманої інформації, згортання, стиснення та узагальнення.

3. Методи інтерпретації отриманих фактичних матеріалів (методи спостережень, методи експерименту).

Із-за складності екосистеми часто використовують моделювання.

В ролі моделі можуть виступати:

1. Матеріальна копія об’єкта екології, спрощена до певної міри (наприклад, акваріум – як модель ставка) – аналогові;

2. Реальні об’єкти природи, спеціально виділені для вивчення в природному середовищі – модель особини, модель популяції;

3. Абстрактні моделі (широко використовуються) – це деякі абстрактні описи того чи іншого об’єкта або явища реального світу, що дозволяє аналізувати його властивості.

Переваги абстрактних моделей – можливість порівняно простими та недорогими засобами аналізувати поведінку екологічних систем та передбачити характер їхніх змін при внесенні в систему тих чи інших змін.

Головна вимога до абсолютних екологічних моделей – це точність та достатня узагальненість.

Етапи моделювання:

1. Визначення об’єкту моделювання (популяція, екосистема і т п.);

2. Визначення меж об’єкту;

3. Визначення мети моделювання;

4. Складання на основі 3-ого етапу переліку компонентів та зв’язків, що включаються до моделі;

5. З’ясування співвідношення між компонентами моделі. Результат цього етапу, наприклад, схематична модель (Рис.2).

6. Кількісна оцінка усіх параметрів, що беруть у функціонуванні об’єкту (для приведеної вище схеми – це може бути оцінка ємності ґрунту щодо кількості мінеральних речовин, швидкості мінералізації речовин, величина біомаси рослин, тварин, ...);

7. Представлення у математичному вигляді співвідношень між компонентами та процесами;

8. Проведення розрахунків моделі на ЕОМ, отримання й аналіз результатів.

Р

Біомаса

Ґрунт

Гірські породи

Водойми та ґрунтові води води

Екосистема лісу

1

2

3

4

5

6

6

ис. 2 Спрощена графічна модель екосистеми лісу, що показує міграцію елементів живлення:

1. надходження мінеральних речовин з опадами;

2. надходження мінеральних речовин із ґрунту;

3. мінералізація органічних речовин та повернення мінеральних об’єктів до ґрунту;

4. вивітрювання гірської породи із збагаченням ґрунту мінеральними елементами;

5. вимивання мінеральних речовин її ґрунту та гірських порід;

6. надходження мінеральних речовин у водойми з опадами.

В залежності від апарату досліджень виділяють моделі:

Рис. Основні види моделей, що застосовують в екології.

Вербальні моделі – суто словесні описи елементів та процесів екосистем. Вони непридатні для дослідження та прогнозування систем. Можуть бути складовою при створенні інших моделей.

Графічні моделі – схематичні зображення компонентів системи та зв’язків між ними (див. попер. мал.).

Математичні моделі – описують екологічну систему у вигляді одного чи багатьох виразів. Так вираз – математична модель росту популяції:

y – щільність популяції;

y₀ – початкова щільність популяції;

r – константа, що показує здатність до збільшення чисельності популяції даного виду;

t – час.

У цій моделі ріст популяції визначається параметрами y₀, r, t, тому модель називається детерміністською.

Моделі з стахостичними компонентами називають стахостичними (включають змінні величини, значення яких мають випадковий характер і лежать у межах певної амплітуди).

Розробка моделі низькотравневих прерій США 200-ма вченими зайняла 8 років і коштувала 10 млн. доларів.