1ostroshenko_v_v_ostroshenko_l_yu_sistemnyy_analiz_i_modeliro

методологических позиций, связаны с внутренним взаимодействием и организованностью (саморегуляция и регенерация, генетический и физиологический гомеостаз и т.д.). Стало очевидным, что эволюцию можно понять только в рамках развернутых представлений об организованности, т.е. при условии существенного дополнения и обогащения эволюционного подхода. Соответствующие поиски, получившие различные конкретные воплощения в работах отечественных и зарубежных исследователей привели к формированию системного подхода в биологии и экологии.

Основная цель системных исследований в биологии – изучение специфичных на каждом уровне биологической организации многообразных связей в живой природе, в экосистеме. Углубление представлений о системе связей позволяет решать проблемы соподчинения уровней живой природы и сопряженные с ними проблемы управления. Следовательно можно дать следующее определение.

Биологическая система – это структура, выполняющая функции: (биохимическую, физиологическую, биоценотическую и т.д.), которая взаимодействует со средой и другими системами как единое целое; состоит из иерархии подсистем более низкого уровня (клетка, организм, популяция и т.д.) и, в свою очередь, является подсистемой для систем более высокого порядка. Она непрерывно осуществляет адаптивную перестройку своей деятельности по сигналам обратной связи и проявляет свойства самоорганизации, саморегулирования и саморазвития.

Биологические системы характеризуются сложной иерархической структурой. Так, если в качестве начального уровня рассматривать биогеоценоз (совокупность систем организмов), то иерархия будет выглядеть следующим образом: биогеоценоз – вид – организм – орган – ткань – клетка – субклеточные структуры.

2. Особенности биологической системы

61

Фундаментальной особенностью биологических систем является способность к самоорганизации. Только живым системам присущи такие свойства, как раздражимость, размножение, обмен веществ.

Основная форма управления в биологических системах – целесообразная саморегуляция, обеспечивающая оптимальное их поведение в изменяющихся условиях окружающей среды. Целесообразность поведения заключается в стремлении биологических систем к повышению организованности, совершенствованию внутренней структуры, надежности функционирования.

Биологическая система обладает свойством стабилизации, т.е. она может поддерживать свои параметры при изменениях внешней среды.

При длительном изменении внешней среды биологическая система может перестраивать свою структуру, т.е. она обладает свойством

адаптивности.

При систематических изменениях окружающей среды биологическая система приспосабливается к ним, т.е. она способна эволюционировать.

Биологические системы способны к самовосстановлению и самовоспроизводству.

Для биологических систем характерен механизм обратной связи. В ходе эволюции происходят определенные изменения в наследственности.

Приобретенные свойства закрепляются в процессе размножения. Если новые поколения оказываются более приспособленными, то реализуется положительная обратная связь. В противном случае новые особи погибают. Срабатывает механизм отрицательной обратной связи. Система же стабилизируется в исходном состоянии. Для них характерно непрерывное самообновление, что соответствует одному из основных принципов организации живого – поддержание состояния устойчивого неравновесия.

Чем выше уровень живой организации в системе биосферы, тем более она удаляется от равновесия с окружающей средой.

62

Как отмечалось ранее, по степени сложности структуры принято различать системы: простые, сложные и очень сложные. Понимание специфики поведения и функционирования систем той или иной сложности, особенно сложных, относится к важным условиям постановки и решения

меняющихся внешних (экологических) условиях можно считать как достижение подвижного равновесия со средой обитания.

Устойчивость такого равновесия отражается в обобщенном принципе Ле Шателье, который известен из химии. Он отражает изменения в равновесии химических реакций, происходящих под воздействием изменений температуры, давления, удаления или накопления реагентов. Если соответствующая реакция проходит с поглощением тепла, то нагревание смеси увеличивает ее скорость, а охлаждение понижает. В смесях различных веществ при одновременном прохождении реакции образования

(распада) какого-либо соединения, внешние воздействия приводят к изменению скорости этих реакций и концентрации данного соединения в смеси.

В обобщенном виде принцип Ле Шателье следует рассматривать как закон адаптации, применимый к анализу и оценке любых сложных систем.

Согласно этому закону каждая система стремится измениться таким образом, чтобы свести к минимуму эффект внешнего воздействия. При этом, если интегральные показатели состояния системы при отсутствии изменений внешней среды остаются постоянными, имеет место состояние гомеостаза, отражающего свойства биологических систем удерживать свои существенные для выживания параметры в заданных эволюционных пределах. Если же они колеблются около некоторого среднего положения, оставаясь в определенных границах, наблюдается состояние гомеокинеза.

Гомеостаз сложных систем достигается посредством целого комплекса механизмов. Примером выраженного состояния гомеостаза могут быть

63

сформировавшиеся природные зоны, которые содержат биотические и абиотические компоненты, находящиеся в устойчивом, квазистационарном состоянии, имеют определенный почвенный покров, специфические растительные сообщества и типы режимов функционирования.

Разумеется, что абсолютный гомеостаз недостижим. В природе чаще наблюдается гомеокинез, поскольку даже при отсутствии резких изменений интегральные показатели систем колеблются во времени случайным образом. Такие колебания в целом незначительны, поэтому при описании систем следует применять средние характеристики интегральных показателей, относящиеся к некоторому временному интервалу.

Гомеостаз и гомеокинез возможны только при сохранении системы как единого структурного целого.

Сложным биологическим системам присуще свойство самосохранения, которое в соответствии с законом адаптации направлено на то, чтобы уменьшить неблагоприятные воздействия на систему факторов окружающей среды. Сохранение целостности биологической системы осуществляется посредством обратной связи. Реакции живого организма, способствующие уменьшению влияния окружающей среды, относятся к отрицательным обратным связям. Положительные обратные связи вызывают изменения в системах по типу цепной реакции. Если бы они повторялись часто, т.е.

система меняла бы свои параметры при каждом небольшом воздействии, то биологические системы не могли бы физически существовать в природе.

Дублирование систем обратной связи повышает устойчивость работы систем, их эффективность и надежность. Эффективность обратных связей способствует целостности системы. Вместе с тем возможности обратных связей не безграничны. Например, температура воздуха может значительно изменяться, температура же тела теплокровного животного будет оставаться постоянной только до определенного предела. Достижение такого состояния называют в биологии срывом адаптации. Система или гибнет,

64

или вынуждена существенно (скачкообразно) перестраиваться, чтобы соответствовать новым условиям.

3. Экологические системы. Место экологии среди других

биологических наук. Современное состояние экологии

Системный подход в экологии обусловил формирование целого направления, ставшего ее самостоятельной отраслью – системной экологией.

Понятие «экосистема» введено английским ботаником А. Тенсли (1935 г.), который обозначил этим термином, любую совокупность совместно обитающих организмов и окружающую их среду. По современным представлениям - экологическая система представляет собой

совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом и динамическом равновесии.

Понятию «экосистема» близко другое понятие – «биогеоценоз». Понятие «биогеоценоз» (биос – жизнь, гео – земля, ценос – общность) – введено академиком В.Н. Сукачевым в 1940 году. Это относительно пространственно ограниченная, внутренне однородная природная система взаимно связанных живых организмов (растений, животных, микроорганиз -

мов) и окружающая их небиологическая среда.

Биогеоценоз – сообщество растений (фитоценоз), животных (зооценоз), микроорганизмов (микробиоценоз) с определенным участком земной поверхности с его микроклиматом, геологическим строением, ландшафтом, почвой, водным режимом, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом. Биоценозы характеризуются определенным энергетическим состоянием, типом и скоростью обмена веществ и информации.

Понятия «экосистема» и «биогеоценоз» близки друг другу, но не синонимы. По определению А. Тэнсли, экосистемы – это безразмерные

65

устойчивые системы живых и неживых компонентов, в которых совершается внешний и внутренний круговорот веществ и энергии. Это луг, лес, озеро, капля воды с микробами, горшок с цветком, космический корабль, но под определение биогеоценоза они не попадают, так как им не свойственны многие признаки этого определения. Экосистема может включать несколько биогеоценозов. Любой биогеоценоз является экосистемой, но не всякая экосистема может считаться биогеоценозом, причем биогеоценозы – это сугубо наземные образования, имеющие свои четкие границы.

Биогеоценоз включает совокупность на определенной территории абиотических факторов (экотоп) и совокупность живых организмов

(биоценоз), причем в экотоп входят климатические факторы (климатоп) и почвенно-грунтовые (эдафотоп), а в биоценоз – зооценоз, фитоценоз и микробиоценоз [Гуков, 1990].

Стрелки на рисунке обозначают взаимосвязь компонентов биогеоценоза и означают каналы передачи информации между различными компонентами

– круговорот веществ и потока энергии. Антропогенная деятельность (в частности строители) может перекрывать каналы передачи информации, потоки энергии, круговорот веществ (например, застраивая землю, асфальтируя почву, вырубая лес, возводя плотины, выбрасывая отходы и др.).

Экология возникла и развивалась как одна из биологических наук. Существует немало классификаций биологических наук, каждая из которых, хотя и не охватывает все науки, но позволяет определить место экологии среди других дисциплин. Согласно схеме, предложенной Б.Г. Йоганзеном (1959), круг биологических дисциплин может быть разделен на три группы – общие, частные и комплексные науки.

Общие науки включают систематику, морфологию, физиологию, экологию, генетику, биогеографию, эволюционное учение;

Частные науки объединяют микробиологию, ботанику, зоологию;

66

В комплексные науки входят гидробиология, почвоведение, паразитология.

Общие биологические науки изучают весь органический мир в определенном направлении, какую-то одну сторону его жизненных явлений – «немного обо всем». Так, систематика изучает закономерности классифика-

ции организмов; генетика – закономерности наследственности; экология – закономерности взаимоотношения организма и среды.

Частные науки изучают конкретные объекты органического мира всесторонне, т.е. «все об одном». Так, микробиология изучает систематику, морфологию, физиологию, экологию микроорганизмов.

Каждая из общих и частных наук подразделяется на части.

Частные науки представляют собой сложные комплексы дисциплин меньшего ранга, поэтому экология является важной составной частью всех дисциплин этой группы (экология вирусов, экология растений, экология животных, экология млекопитающих, экология птиц, экология человека и т.д.).

Комплексные биологические дисциплины связаны с каждой из сред жизни на Земле – водой, воздухом, почвой и организмом. Следовательно, они целиком находятся на экологической основе, и в них доминирует экологический подход при изучении конкретных явлений.

Специфика современной экологии состоит в том, что она из строго биологической науки превратилась в значительный цикл знаний, включив в себя разделы географии, геологии, химии, физики, социологии, теории культуры, экономики и других научных дисциплин. Следовательно, современная экология – комплексная биоцентрическая наука, обусловли-

вающая многообразие экологических систем.

Любая экологическая система является системой открытой, поскольку она всегда взаимодействует с внешней средой: солнечной радиацией, влагооборотом на поверхности и в почво-грунтах, ветровым приносом и

67

выносом материала. Следовательно любые пространственные ограничения экосистемы всегда условны.

Понятие экологической системы иерархично. Это означает, что всякая экологическая система определенного уровня включает в себя ряд экосистем предыдущего уровня, меньших по площади и сама она, в свою очередь,

является составной частью более крупной экосистемы.

4. Состояние системы. Смена состояния системы:кризис, катастрофы, катаклизмы

Состояние системы определяется режимом ее функционирования,

когда интегральные показатели находятся в гомеостазе (или гомеокинезе) с окружающей средой, а обобщенная структура системы остается неизменной во времени и в пространстве. Математически доказано, что число состояний системы ограничено. Эта ограниченность не позволяет системе принимать несвойственные ей (произвольные) состояния. Ограниченный характер состояния системы, жестко привязанный к определенным временным промежуткам уровень интегральных базовых показателей и внешних воздействий, определяется ее внутренней структурой.

Смена состояния системы сопровождается изменениями ее интегральных показателей и структурными перестройками разного

масштаба. При этом система может сохранить ряд своих наиболее важных характеристик. Она остается целостной и продолжает, как и раньше, входить в качестве компонента в другую систему более высокого уровня. Физические и иные потери могут наблюдаться на уровне элементов гетерогенной (неоднородной по составу) системы.

Такого рода смена состояний называется кризисом. Он не ведет к разрушению системы, но обусловливает ее существенную перестройку. Фактически кризис для большинства систем служит механизмом обновления, экстраординарным механизмом адаптации к новым условиям. Например,

68

мировой экономический кризис привел к спаду экономики во многих государствах, ее перестройки и последующему обновлению.

Более радикальные изменения в системе, как правило экзогенной природы, называют катастрофой. Она характеризуется коренной структурной перестройкой системы. Отдельные ее компоненты исчезают, а

на их месте могут возникнуть новые.

Изменяется морфология системы. Интегральные показатели состояния системы значительно обновляются. Примеры экологической катастрофы – гибель экосистемы Аральского моря.

Более кардинальные изменения системы называются катаклизмами.

По существу это – разрушение системы, подавляющего большинства ее структурных звеньев. Исчезает основная часть компонентов.

Воссоздание системы после катаклизма представляет собой построение новой системы с использованием элементов старой. Интегральные показатели системы после катаклизма условно принимаются равными нулю,

означая тем самым отсутствие данной системы в прежнем качестве. Приведенная классификация возможных изменений систем

характеризует вероятную глубину изменений, имеющих как отрицательные, так и положительные последствия. Например, в случае значительного глобального потепления тундра может быть заменена тропиками.

Произойдет катастрофа для экосистемы тундры, но не для всей биосферы. В новых условиях будет реализована способность живых систем к саморазвитию при изменении путей его достижения. Реализуется общесистемный принцип «выживания через кризис».

Минимальный отрезок времени, в течение которого происходит смена состояний системы, называется характерным временем развития системы.

Измерять интегральные показатели системы через интервалы времени, меньшие характерных, некорректно.

Например, при оценке изменений плодородия почвы, минимальный отрезок времени не может быть короче вегетационного периода.

69