Концепция эко системы

Живые организмы и их абиотическое окружение связаны друг с другом и находится в постоянном взаимодействии (поток энергии создает четкие абиотические структуры). Эко системы – открытие системы, важная составляющая часть - характеристика среды на входе и выходе системы. Символично обозначаются так:

Среда на входе	Система в собственных . ассимиляция границах	Среда на выходе
1. Солнце (вещество и организмы) 2. другая энергия на входе	1. переработанная энергия 2. вещества 3. эмиграция организмов

Зоны Абвелинга – зоны с глубоководными сильными течениями, в которых происходит перемешивание воды и подъем биомасс со дна в верхние слои. Поток веществ реализуется в виде глобальных циклов веществ (цикл водорода, фосфора и т.д. – биогенных элементов, из которых состоят все живые системы).

Переработанная энергия: первоначальная энергия, происходит ассимиляция солнечных лучей, результатом чего являются углеводы (в частности целлюлоза, т.е. древесина). Ассимиляция происходит также в дальнейших цепях. Но на всех этапах выделяется тепло, которое не утилизируется, вторично она не может быть использована. При этом происходит изменение термодинамического состояния среды. Разложение химических соединений после аэробного и анаэробного процессов.

Всем видам свойственно расширять ареал обитания. В некотором случае иммиграция происходит к уничтожению существующей эко системы, уничтожение, т.е. интродукция системы.

Составляющие, которые есть в эко системе (структура): любая система имеет подсистему автотрофов (самопитающаяся)=> зеленые растения, организмы (серные бактерии не имеют хлорофилла). Неосновные компоненты на входе: поток энергии, на выходе: переизлучение – запасенная энергия.

ЭНЕРГИЯ

СТОК ВЕЩЕСТВ

ДИССИПАЦИЯ

ЭЛЕМЕНТЫ ПИТАНИЯ

ПОДСИСТЕМЫ РЕДУЦЕНТОВ

ПОДСИСТЕМА ТРАВОЯДНЫХ

АВТОТРОФЫ

Важная составная часть концепции является характеристика компонент на входе и выходе открытых систем. Эко система – система в собственных границах. Сохранение оптимальных температур для жизненных процессов. Подсистема травоядных: собирательный термин, т.к. сюда можно отнести микроорганизма, животные более низкого уровня организации. Происходит также диссипация энергии. Далее поток энергии и вещества в этой подсистеме, переходит в подсистему редуцентов. Большой класс живых объектов, по составу исчисляются миллионами видов, которые до сих пор до конца не описаны, некоторые не известны науке до сих пор: членистоногие, сапротрофы, питающиеся мертвой органикой живые организмы, бактериальная микрофлора, здесь и наблюдается наибольшее разнообразие. Т.е. вся органическая продукция, запасенная на этом уровне, рано или поздно попадает в эту подсистему. На другом уровне также происходит диссипация. А нашем организме осуществляется круговорот.

В реальных действующих системах это так. Сток вещества, т.е. вещество стогнируется, т.е. выпадает из кругооборота и накапливается в ресурсах, которые не доступны живым организмам. Степень замкнутости по кругообороту систем в различных системах разный. В тропических лесах, например, практически нет стока. Все элементы, участвующие в кругообороте, подхватываются автотрофами, и снова рециркулируют, т.е. гуляют по всем живым существам по каждой экологической системе. Т.о. любая экологическая система всегда включает в себя эти 3 основные компонента. Гетеротрофы - организмы со смешанным питание, не являющиеся продукцией.

Суммарное количество вещества и энергии, фиксируемое теми автотрофами эко системы, образуют первичную продукцию (ОПП). Т.к. в процессе дыхания часть продукции исчезает, переводится в тепло, то часть ОПП, за исключение израсходованной на дыхание, обозначают как первичная нетто – продукция (ПНП), т.е. чистая. Эти 2 компоненты являются важнейшей характеристикой продуктивности экологических систем.

Резюме:

3 основные компоненты эко системы: поток энергии, круговорот веществ и сообщества живых организмов. Часть энергии, поступающая от Солнца, преобразуется сообществом и переходит на качественно более высокую ступень. Органическое вещество, в которое трансформировалась эта энергия, представляет собой более концентрированную энергию. Большая часть энергии деградирует, проходя через эко систему, и покидает ее в виде тепловой низкокачественной энергии. Это называется тепловым стоком. Энергия может накапливаться, затем высвобождаться или экспонсироваться и не может быть использована вторично. В отличие от энергии, элементы питания либо биогенные, также вода могут быть использованы многократно. В человеческом организме вода во всех клетках обновляется более 100 раз полностью за все время жизни, вплоть до каждой молекулы. Эффективность повторного использования и размеры импорта и экспорта элементов питания сильно варьируют в зависимости от типа эко систем. С точки зрения тропической структуры эко систему разделяют на 2 яруса: верхний автотрофный ярус («зеленый пояс Земли», включает в себя растения и их части, содержащие хлорофилл – неорганическое вещество, способное понижать энергию активации реакции и осуществляет поэтапный транспорт в основном протонов, т.е. частичный способ улавливания электромагнитной энергии видимого диапазона, либо утилизация простых неорганических соединений и накопление сложных органических веществ; накопление энергии элементарных веществ и синтез сложных органических соединений) и нижний гетеротрофный ярус («Коричневый пояс», т.к. в процессах преобразования продукции автотрофов, в основном, по объему падает на подсистему редуцентов. Сосредоточена в почве; включает в себя разлагающиеся вещества – углерод, азот, углекислый газ и т.д. и трансформация этих веществ до уровня простейших молекул, т.е. основной процесс – это разложение). Для того, чтобы дифференцировать более точнее структуру эко системы, выделяют также следующие компоненты, для того, чтобы более детально просматривать функционирование эко систем. С биологической точки зрения выделяют следующие компоненты эко системы:

* неорганические вещества (есть в круговороте)

* органические вещества или соединения (белки, углеводы, гумус и т.д.), связывающие биотическую и абиотическую части(эти элементы обязательно должны присутствовать, они характеризуются большой сложностью и представляют собой самые сложные и большие молекулы из всех известных, дающих основу жизни)

* воздушная, водная и субстратная среда, включающая климатический режим и другие физические факторы

* продуценты или автотрофы, функция которых заключается в преобразовании неорганики и органику

* макроконсументы – гетеротрофные организмы, начиная от травоядных, плотоядных, членистоногих, которые разлагаю органику, и их называют макроконсументы (пожиратели).

* микроконсументы

Признание эко системы специфическим предметом экологии приводит к тому, что методической основой исследования эко системы является системный подход, который ориентирован на выявление специфических характеристик сложноорганизованных объектов; многообразие связей между этими объектами; их разнокачественность и соподчинение. В самом общем виде при этом подходе выражается стремление дать целостную характеристику такого объекта, как эко система. Что значит целостная характеристика? Дело в том, что система имеет несколько элементов. Допустим, А, Б, С и Д. При наличии смешанных связей, практически невозможно описать поведение одного из этих элементов. Поэтому, дается описание поведение всей системы в целом. Основываются на некоторых фундаментальных понятиях системного подхода для конкретизации понятия эко системы.

Множество Х=х1…хк, состоящее из внутренних элементов, называется составом системы С. Внутренние элементы связаны между собой связями, которые называются системообразующими. Эти элементы испытывают воздействие со стороны внешних относительно системы объектов, а также сами могут влиять на них. Например, популяция особей, рассматриваем как элементы, связанные некоторыми связями: охрана территории, воспроизводство. Каждый из этих элементов системы действует на биотические и абиотические факторы. Множество Ф, состоящее из всех внешних систем С, и находящееся в существенной связи с данной системой, называется непосредственным окружением системы или непосредственной окружающей средой. Физических факторов у нас много. Но не все эти факторы оказывают существенное влияние на систему. Допустим, кислород не является существенны фактором, т.к. его достаточно для реализации жизненно-важных процессов. При определении существенных факторов определяют порог чувствительности этой системы ко внешним факторам.

Множество связей элементов эко системы Р, а также элементов с внешней средой, называется структурой системы. Т.к. среда окружающая систему, элементы и связи изменяются во времени, то для всех этих элементов мы должны указать зависимость от времени. примером может служить годовой цикл, солнечная активность или собственный биологический возраст каждого элемента нашей системы. Отсюда условная формализация. Необходимо ввести понятие функции системы Т – закон или совокупность правил, по которым в зависимости от внешних факторов происходит изменение во времени внутренних элементов системы, а также ее структуры. Система функционирующая в окружающей среде, называется объект, образованный элементами системы, которые связаны между собой связями. Когда определяется функция или отклик системы, фактически, мы, после описания этих компонент, полностью определяем эко систему. Поэтому, изучение любой эко системы или объекта состоит в следующем:

1. определение составных частей системы х и с объектами окружающей среды

2. установление структуры эко системы, а также связей с окружающей средой

3. нахождение функций эко системы, определяющей характер изменения компонентов системы и связей между ними под воздействием внешних объектов

Для решения этих задач можно выделить 3 основных группы методов:

- полевые (включает в себя множество описаний эко систем, в основном выделяют: 1. выделение типов эко систем и их взаимосвязей с окружающим ландшафтом; 2.определение видового состава организмов, микроклимата, типа почвообразующих пород, характер гидрологического режима; 3. идентификация (неявное наименование, дифференцируемое обозначение) структуры эко системы на качественном уровне; 4. получение количественных оценок для основных показателей эко системы: плотность популяции, температура, влажность, концентрация двуокиси углерода, количество элементов питания, для водных систем – кислород, соленость, т.е. существенные компоненты эко системы. Для них обязательно определяются количественные показатели; 5. количественная идентификация структуры эко системы – установление зависимости, например, фотосинтеза и рядом физических факторов окружающей среды, также входит определение скорости, например, выделение испарения воды из почвы, являющейся существенным фактором, который зависит есть растения или нет, каков характер засоленности, каков режим. Т.е. все это количественная идентификация структуры эко системы. Также входит скорость размножения популяции, т.е. определение этих показателей, характеристика межвидовых отношений, например, определяется скорость выедания растений травоядными, параметрически характеризуется какими то конкретными параметрами; 6. комплексное описание динамики тех компонент эко системы в сезонном, годовом и многолетнем циклах).

Существует множество проблем для того, чтобы пройти по идеальной логике любой эко системы. Поэтому, современные методы мониторинга существенно эту задачу упрощают. Одним из способов определения всех этих позиций осуществляется в биосферных заповедниках – территория, где полностью исключаются влияния факторов, имеющих неестественную природу, в частности удаляется человеческий фактор.

- активные (бывают контролируемые и не контролируемые. По числу экспериментируемых переменных. Активные эксперименты, например, вулкан. Повышение его активности по сути активный эксперимент, который не контролируемый, но приводящий к определенным экологическим последствиям. Контролируемые активные эксперименты проходят до так называемых микрокосмах, т.е. в небольших эко системах, например, болото, озеро, водохранилище, которое появилось в результате того, что построили платину. Естественно, в этих микрокосмах эко системы более или менее простых есть важнейшие физический факторы, хорошо контролируются и наблюдается характерная динамика эко системы, например, новосибирское водохранилище, большой рост рыбной продукции, далее, в следствие, затопленных лесов, разлагаются и состав воды меняется и началось цветение – рост популяции сине зеленых водорослей, появление новой паралитической формы. Количество необходимых параметров для подсчета оптимального функционирования эко системы достаточно большое, поэтому в свое время К.Фишером было предложен метод или теория многофакторных элементов. Существуют в настоящее время и другие методы, редуктирующие большое количество переменных и позволяющие анализировать воздействие факторов на эко систему. Например, метод Лоуэлла, или метод главных компонент: из тысяч факторов формируется матрица аддитивных параметров, называемых общностями, и выделяются всего 3-5 компонент - параметров, являющихся сложными. Такие методы стали развиваться только потом, что эко системы очень важны и необходимо учитывать очень большое количество важных факторов)

- моделирование (экспериментальные или теоретические исследования продуктивны лишь тогда, когда они строятся на знаниях научной теории. Метод «тыка» не дает эффективных результатов, а вот воплощения в научной теории, как правило, являются модели. сущность методов моделирования состоит в том, что на ряду с реальной системой рассматривается ее изоморфное отображение. Объект подобен самому себе. Присутствуют все элементы и связи. Поэтому задача упрощается за счет того, что строится частично полное отображение множества элементов. Выделяются только существенные части. В дальнейшем уже рассматриваются уже усеченные модели самой системы. Классификация моделей не зависит от предметной принадлежности или ориентиров).

Существуют реальные модели: рассматриваем существующую систему; идеальные; концептуальные – обобщение основных функций системы, объединенные в один модуль; математические; аналитические; дискретные; непрерывные; вероятностные, т.е. весь аппарат подсистемного анализа в этих разных аспектах себя проявляет.

Основные этапы изучения эко системы с точки зрения системного подхода:

1. постановка задачи

2. концептуализация, т.е. связываем задачи с определенной системой понятий

3. спецификация, т.е. выписываются все важные параметры элементов

4. наблюдение

5. идентификация

6. эксперименты

7. реализация модели

8. проверка модели

9. исследование (анализ) модели

10. оптимизация

11. заключительный синтез

24.02.2010

Дата добавления: 2015-10-26