2.3. Основные объекты экологии

Выделяют шесть уровней организации живой материи, образующих иерархию: молекулярный, клеточный организменный, популяционный (популяционно-видовой), экосистемный, биосферный.

Основные свойства живых систем – структурная организация, самовоспроизведение, обмен веществ и энергии, раздражимость, поддержание постоянства внутренней среды (гомеостаз), адаптация – реализуются уже на клеточном уровне. Однако полнота всех естественных проявлений жизни представлена на двух последних.

Организменный уровень. Организм (особь, индивидуум) – представитель биологического вида – генетически, морфологически и экологически однородной группы живых существ, обособленной от других видов.

Популяционный уровень. Каждый биологический вид в природе представлен популяциями. Популяция – совокупность особей одного вида, населяющих определенное пространство, изолированных от других популяций, имеющих общий генофонд, возможность свободно скрещиваться.

Популяция – элементарная форма существования вида в природе.

Экосистемный уровень. Экосистема – пространственно определенная совокупность организмов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическими и информационными взаимодействиями (озеро, лес, степь, море, океан, биосфера). Водные и наземные.

В экосистеме различают биотоп – абиотический компонент и биоценоз – совокупность всех живых организмов, населяющих данный биотоп. Биоценозы включают растения, животных, микроорганизмы.

(биотоп + биоценоз = биогеоценоз). Биогеоценоз – элементарная наземная экосистема, главная форма существования природных экосистем.

Биосферный уровень – совокупность всех живых организмов и их экологической среды в пределах планеты.

2.4. Системные связи в экологии

Взаимоотношения в природе обозначены «пища – потребитель пищи», «хищник – жертва» и «ресурс – эксплуататор». Взаимодействия в них можно представить в виде контура прямых и обратных связей:

Ж Х (-)

Знаки – и + в данном случае обозначают однонаправленность и противонаправленность изменений. Чем больше численность популяции жертвы, тем больше пищи для хищников и численность их возрастает (положительная прямая связь, +). Но чем больше хищников, тем больше они уничтожают жертв и численность жертв уменьшается (отрицательная обратная связь, – ).

Если речь идет об одном виде хищника и одном виде жертв, хищник не в состоянии уничтожить всех, поскольку при снижении плотности жертв на участке, затраты энергии на их поиск и охоту превышают энергетическую ценность пойманной жертвы. Жертвы избегают встречи с хищником. В целом такой контур имеет отрицательный знак (–) «плюс и минус дают минус». Это означает, что система способна сама себя поддерживать. (принцип естественной саморегуляции).

Рассмотрим поведение более сложного контура. В экологической системе замкнутого водоема можно выделить такие компоненты: растворенные в воде минеральные питательные вещества (М); потребляющие их водоросли (В); животные, поедающие водоросли и других животных (Ж); отмершие остатки организмов и продуктов их жизнедеятельности – детрит (Д); разлагающие детрит до минеральных веществ бактерии (Б).

Рис. Схема взаимодействий (причинных связей) между основными компонентами экосистемы водоема

Допустим, что под влиянием внешнего фактора (температуры, попадании в водоем органики) началось усиленное развитие водорослей – фитопланктона. Это приводит к уменьшению запаса минеральных веществ и росту количества животных – от зоопланктона до рыб. Вызванное этим повышенное выедание фитопланктона приводит через какое-то время к ограничению размножения животных. Временное повышение биомассы гидробионтов ведет к нарастанию массы детрита. Будучи пищей для бактерий, детрит обуславливает их усиленное размножение и преобразуется ими в минеральные продукты. Цикл замыкается. Контур в цело имеет отрицательный знак. Система способна к самоподдержанию. На подобных механизмах основаны процессы самоочищения водоемов.

Но если в водоем попадает слишком большое количество биогенных элементов (систематически сбрасываются промышленные стоки), то происходит нарушение цикла. Начинается бурный рост водорослей, толщина их слоя резко увеличивается, снижается поступление света в нижние слои водоема, замедляются процессы фотосинтеза. Одновременно усиливается гниение большой массы отмерших клеток. На их разложение затрачивается весь растворенный в воде кислород и тогда погибают не только животные, но и разлагающие детрит бактерии. Цепь разрывается, Если стоки не прекратить, то природный механизм самоочищения уничтожается.

Т.о., отрицательные обратные связи имеют исключительно большое значение для любых систем, в которых осуществляется регуляция. Вообще, отрицательная обратная связь является главным элементом любого регулятора в технике. На принципе обратной связи построены все механизмы регуляции физиологических функций в любом организме и поддержание постоянства внутренней среды и внутренних взаимосвязей (гомеостаза) любой авторегуляторной системы. Все экологические системы включают контуры отрицательных обратных связей.

В отличие от них контуры положительных обратных связей не только не способствуют регуляции, а наоборот, генерируют дестабилизацию систем, приводя их либо к угнетению и гибели, либо к ускоряющемуся росту, к «разгону» системы, за которым, как правило, следует срыв и разрушение системы.

Так, в любом растительном сообществе, плодородие почвы, урожай растений, количество отмерших остатков растений – детрита и количество образующегося из него гумуса образует контур положительных связей. Система находится в неустойчивом равновесии, так как достаточно части урожая растений без последующего возврата в почву необходимого количества питательных веществ, чтобы начался процесс деградации почвы и снижения продуктивности растений.

На контурах положительной обратной связи основаны те механизмы современной экономики, когда рост производства поддерживается усилиями маркетинга, диктата предложения, навязчивой рекламой, которая искусственно провоцирует новые потребности и спрос.

Ярким примером фатальности положительной обратной связи может быть гонка вооружений, при которой увеличение количества оружия увеличивает риск поражения оружием и потребность в усилении вооруженной защиты, что ведет к новому витку производства еще более мощных вооружений.

Положительные обратные связи действуют и тогда, когда человек или общество ориентируются не на подлинный объективные критерии благополучия, а на кажущиеся сиюминутные прихоти. В результате действительное состояние, здоровье человека или общества ухудшается. Механизм такого поведения называют «мания»-структурой. В сложных системах всегда сочетаются контуры обоих знаков.