1. Экология как наука. Положение экологии в системе наук о природе
 Скачать 1.32 Mb.
|
|
1. Экология как наука. Положение экологии в системе наук о природе. Экология - наука о взаимодействиях живых организмов и их сообществ между собой и с окружающей средой. Современная экология — сложная, разветвлённая наука. Экологические системы, как и живые системы других уровней организации, являются весьма сложными, характеризуются нелинейной динамикой и их поведение в математических моделях описывают такие современные науки, как динамическая теория систем и синергетика. В моделировании экосистем определенную роль сыграли также представления кибернетики (науки об управлении) о теории регулирования, об устойчивости и неустойчивости, об обратных связях. В современной системе естественных наук экология делится на 3 ветви: Первая ветвь. Общая экология, или биоэкология, — это изучение взаимоотношений живых систем разных рангов (организмов, популяций, экосистем) со средой и между собой. Эту часть экологии в свою очередь подразделяют на следующие разделы: • аутэкологию, т. е. изучение закономерности взаимоотношений организмов отдельного вида со средой обитания ; • демэкологию или экологию популяций ; • синэкологию, т. е. экологию сообществ; • экосистемную и биосферную экологию . Вторая ветвь. Геоэкология — это изучение геосфер, их динамики и взаимодействия , геофизических условий жизни, факторов (т. е. ресурсов и условий) неживой окружающей среды, действующей на организмы. Третья ветвь. Прикладная экология — это аспекты инженерной, социальной, экономической охраны среды обитания человека, проблем взаимоотношений природы и обпдества, экологических принципов охраны природы. 2.Периодизация экологии. Пять этапов развития экологии. Экология как биологическая дисциплина возникла в середине XIX века, а в самостоятельную науку она превратилась только в первой половине XX века. Однако появлению экологии предшествовала длительная предыстория. Накопление экологических сведений началось с момента появления человека на Земле. Всю историю развития экологии можно разделить на пять этапов: I. Этап накопления экологических сведений о взаимодействии растений и животных со средой в рамках ботаники и зоологии. Этот этап продолжался с глубокой древности до конца XVIII века. (1. Период древнегреческих философов. 2. Период средневекового застоя. 3. Период эпохи Возрождения.) II. Этап формирования экологических направлений в рамках ботанической и зоологической географии. Он продолжался с конца XVIII века до середины XIX века. (А.Гумбольдт в 1807 году опубликовал книгу «Идеи о географии растений», в которой высказал идею об изолиниях растений. Суть этой идеи заключается в том, что в сходных географических условиях у растений появляются сходные физиономические формы. Ж.Б.Ламарк считал, что влияние внешних условий - одна из главных причин эволюции растений и животных («Философия зоологии», 1809 г.). А.Декандоль в 1855 году в книге «Ботаническая география» описал влияние факторов природной среды на растения и отметил повышенную экологическую пластичность растений по сравнению с животными. Профессор Московского университета К.Ф.Рулье по праву считается одним из предшественников Ч.Дарвина и основателем экологии животных. Он написал более 160 работ по зообиологии. Через все эти труды проходит мысль, что развитие органического мира обусловлено влиянием изменяющейся внешней среды.) III. Этап формирования экологии растений и экологии животных как наук об адаптациях организмов к среде обитания. Данный этап продолжался с середины XIX века до 20-х годов XX века. (Эволюционное учение Ч.Дарвина явилось мощным толчком для развития экологии на качественно новой основе. Додарвиновский период развития экологии считается ее предысторией. Вслед за выходом книги Ч.Дарвина Э.Геккель впервые употребил термин экология в своем труде «Всеобщая морфология организмов») IV. Этап становления экологии как общебиологической науки, являющейся теоретической базой охраны природы. Продолжался этот этап с 20-х по 60-е годы XX века. (Вернадский создал учение о биосфере. В 30-40-е годы как самостоятельное направление обособилась экология популяций - демэкология. Основателем ее считается Ч.Элтон. . В 30-40-е годы как самостоятельное направление обособилась экология популяций - демэкология. Основателем ее считается Ч.Элтон. ) V. Этап развития глобальной экологии с выделением в ее рамках антропоэкологии (экологии человека). Начался данный этап с 60-х годов XX века и продолжается в настоящее время. Сейчас более подробно рассмотрим основные моменты развития экологии на каждом этапе. ПЕРВЫЙ ПЕРИОД - до 1866 г. (определение "экологии" и обоснование ее в качестве самостоятельной научной дисциплины). Это подготовительный период, период "наивной экологии", когда ее элементы появляются в трудах ботаников, зоологов и других естествоиспытателей. Характерная черта этого периода - отсутствие собственного понятийного аппарата. Этот период за- вершается определением "экологии", которое дал в 1866 г. немецкий уче- ный Эрнст Геккель. Несколько позже Э.Геккель конкретизировал это понятие (Haeckel, 1970, s. 365): “...Под экологией мы подразумеваем науку об экономии, о домашнем быте животных организмов. Она исследует общие отношения животных как к их неорганической, так и к органической среде, их дружественные и враждеб- ные отношения к другим животным и растениям, с которыми они вступают в прямые и непрямые контакты, или, одним словом, все те запутанные взаимоотношения, которые Дарвин условно обозначил как борьбу за существование. Эта экология... до сих пор представляла главную составную часть так называемой естественной истории в обычном смысле слова”. ВТОРОЙ ПЕРИОД - с 1866 по 1935 г. (определение "экосистемы"). Это период формирования факториальной экологии, вскрытие закономерностей отношения животных или растений к разнообразным абиотическим факторам. А.М.Гиляров называет этот период "аутэкологическим редукционизмом". ТРЕТИЙ ПЕРИОД - с 1936 г. до начала 70-х годов. Это период синэкологических исследований, когда на передний план вышло изучение взаимоотношений популяций в экосистемах. Основой методологии становится системный подход (правда, в своем детерминированном варианте - развитие математической экологии, разнообразие аналитических и имитационных моделей экосистем). Основу этого периода составляли семь положений: · оформление экологии как фундаментально-теоретической дисциплины, · представление о преимущественном нахождении природы в равновесии, · синэкологический подход, · примат конкурентных отношений, · малый "вес" эволюционных факторов в развитии экосистем, · стремление к их классификации (т. е. представление о дискретности экосистем), · превалирование детерминированных (строго функциональных) представлений о взаимосвязях компонент в экосистемах. ЧЕТВЕРТЫЙ ПЕРИОД - с начала 70-х годов до середины 80-х. В это время семи "тезам" третьего периода были противопоставлены соответствующие "антитезы": · трудности в выявлении каких-то общих законов развития сообществ, · постоянные нарушения равновесных состояний, · вновь возросший интерес к популяционным (демэкологическим) ис- следованиям, · отказ от конкуренции как основного фактора формирования сообще- ства, · изучение экосистем в их развитии (включая и эволюционные факто- ры), · превалирование концепции континуума над концепцией дискретности экосистем, · возросшая роль случайных факторов в объяснении структуры и дина- мики экосистем (Simberloff, 1980). Наконец, ПЯТЫЙ ПЕРИОД - последние 10-15 лет, когда наметилась тенденция объединения представлений детерминированно-популяционного второго периода, детерминированно-синэкологического третьего и стохастиче- ско-популяционного четвертого, что позволяет говорить о начале становления истинно системного подхода к изучению экологических объектов. Наиболее удачным примером такого подхода может служить вышедшая в 1986 г. и пере- веденная у нас в 1989 г. книга М.Бигона с соавторами "Экология". 3.Основные экологические понятия: популяция, экосистема, биогеоценоз, биосфера. Популяция – это минимальная самовоспроизводящаяся группировка особей одного вида, населяющая определенный ареал в течение длительного ряда поколений, образующая собственную генетическую систему, формирующая собственную экологическую нишу и более или менее изолированная от других подобных группировок данного вида. Популяция есть форма существования вида и элементарная единица эволюции. Экосистема – биологическая система, состоящая из сообщества живых организмов, среды их обитания, системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними. . Экосистемы – это основные природные единицы на поверхности Земли. Биогеоценоз - это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, растительности, животного мира и микроорганизмов, почвы, горной породы и гидрологических условий), имеющая свою особую специфику взаимодействий слагающих компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией между собой и другими явлениями природы и представляющая собой внутренне противоречивое единство, находящееся в постоянном движении, развитии. Биогеценоз - система, включающая сообщество живых организмов и тесно связанную с ним совокупность абиотических факторов среды в пределах одной территории, связанные между собой круговоротом веществ и потоком энергии. Биогеоценозы характеризуются следующими чертами: – биогеоценоз связан с определенным участком земной поверхности; в отличие от экосистемы пространственные границы биогеоценозов не могут быть проведены произвольно; – биогеоценозы существуют длительное время; – биогеоценоз – это биокосная система, представляющая собой единство живой и неживой природы; – биогеоценоз – это элементарная биохорологическая ячейка биосферы (то есть биолого-пространственная единица биосферы); – биогеоценоз – это арена первичных эволюционных преобразований (то есть эволюция популяций протекает в конкретных естественноисторических условиях, в конкретных биогеоценозах). Таким образом, как и экосистема, биогеоценоз представляет собой единство биоценоза и его неживой среды обитания; при этом основой биогеоценоза является биоценоз. Понятия экосистемы и биогеоценоза внешне сходны, но, в действительности, они различны. Иначе говоря, любой биогеоценоз – это экосистема, но не любая экосистема – биогеоценоз. Биосфера – это геологическая оболочка Земли, сложившаяся в ходе исторического развития органического мира. Биосфера – это активная оболочка Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба. Биосфера – это оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной жизнедеятельностью живых организмов; это самая большая из известных экосистем. 4. Учение Вернадскокого о биосфере. Структура биосферы. В биосфере можно выделить следующие основные компоненты: живое вещество, косное (неживое) вещество, неживое биогенное вещество, биокосное вещество. Живым веществом В.И. Вернадский назвал совокупность живых организмов, населяющих нашу планету. Количество живого вещества в биосфере (биомасса) - величина постоянная или мало изменяющаяся с течением времени. Во все геологические эпохи на Земле количество живого вещества было практически одинаковым. Под косным веществом В.И. Вернадский понимал такие вещества биосферы, в создании которых живые организмы не участвуют. Кроме живого и косного веществ, в состав биосферы входят: Неживое биогенное вещество, которое образовано живым веществом современной и прошлых геологических эпох (ископаемые остатки организмов, нефть, уголь, газы атмосферы, озерный ил - сапропель, осадочные породы, например, известняки); Биокосное вещество, которое создавалось одновременно и живыми организмами и косным веществом (например, почва, вода обитаемых водоемов, глинистые минералы). Границы биосферы совпадают с границами распространения живых организмов в оболочках Земли. Верхняя граница биосферы определяется озоновым экраном, представляющим собой тонкий слой (2-4 мм) газа озона ($O_{3}$). Роль озонового слоя в биосфере велика: он задерживает губительные для живого ультрафиолетовые лучи солнечного света. Этот слой расположен на высотах 16 - 20 км. Нижняя граница биосферы неровная. К примеру, в литосфере живые организмы или продукты их жизнедеятельности можно встретить на глубине 3,5-7,5 км, а в Мировом океане организмы - на глубине 10 - 11 км. Функции живого вещества. Одна из основных заслуг В.И. Вернадского состоит в том, что он впервые обратил внимание на роль живых организмов как мощного геологического фактора, на то, что живое вещество выполняет в биосфере различные биогеохимические функции. Энергетическая функция заключается в накоплении и преобразовании растениями энергии Солнца (бактерии-хемоавтотрофы преобразуют энергию химических связей) и передаче ее по пищевым цепям: от продуцентов - к консументам и, далее, - к редуцентам. При этом энергия постепенно рассеивается, но часть ее вместе с остатками организмов переходит в ископаемое состояние, "консервируется" в земной коре, образуя запасы нефти, угля и др. В осуществлении газовой функции ведущая роль принадлежит зеленым растениям, которые в процессе фотосинтеза поглощают углекислый газ и выделяют в атмосферу кислород. В то же время, большинство живых организмов (и растения в том числе) в процессе дыхания используют кислород, выделяя в атмосферу углекислый газ. Таким образом, участвуя в обменных процессах, живое вещество поддерживает на определенном уровне газовый состав атмосферы. Окислительно-восстановительная функция тесно связана с энергетической. Существуют микроорганизмы, которые в процессе жизнедеятельности окисляют или восстанавливают различные соединения, получая при этом энергию для жизненных процессов Концентрационная функция заключается в способности живых организмов накапливать различные химические элементы. Например, осоки и хвощи содержат много кремния, морская капуста и щавель - йод и кальций. Эволюция биосферы. В.И. Вернадский в своих работах подчеркивал, что история возникновения и эволюция биосферы - это история возникновения жизни на Земле. Развитие биосферы идет вместе с эволюцией органического мира - изменяется состав ее компонентов, расширяются границы и т. д. Живое вещество эволюционирует в сторону усложнения уровня организации, уменьшения прямой зависимости от среды обитания, усовершенствования способов ориентации и передвижения в пространстве. Перенеся идеи физики о неразрывности пространства и времени на явления природы, В.И. Вернадский объяснил направленность эволюции биосферы: она ограничена пространством, что определяется телом планеты, и направлена в сторону прогрессивного развития, так как необходимо приобрести свойства, которые позволят это ограниченное пространство использовать по возможности максимально. Особое внимание в своих трудах ученый уделял возрастающему влиянию человека на ход эволюции биосферы. Вернадский подчеркивал, что человек разумный - невиданная по своим масштабам геохимическая сила, которая увеличивает свое влияние по мере развития научной мысли. 5. Учение Сукачева о биогеоценозе. Живое само создает для себя среду обитания. Биогеоценоз - это элементарная ячейка насыщенных организмами слоев биосферы, маркируемая фитоценозом - растительным сообществом. Это эволюционно сложившаяся, относительно пространственно ограниченная, внутренне однородная природная система живых организмов и абиотической среды, в которой происходит постоянный обмен веществом и энергией.  Сущность биогеоценоза Сукачев видел в процессе взаимного обмена веществом и энергией между составляющими его компонентами, между ними и окружающей внешней средой, а также между самими биогеоценозами. Однако ученый крайне отрицательно относился к попыткам свести биогеоценологию лишь к проблеме энергетики биогеоценоза. Проблемы биогеоценологии - это проблемы комплексного анализа структуры растительного и животного мира, почвы, выявления трофических уровней, определения биологической продуктивности и др. Биогеоценоз связывается с определенным участком земной поверхности. Объединяя все указанные составляющие в одно целое, мы получим структуру биогеоценоза. Она включает пять основных функционально связанных частей. Это фитоценоз - растительное сообщество (автотрофные организмы, продуценты); зооценоз - животное население (гетеротрофы, консументы) и микробоценоз - различные микроорганизмы, представленные бактериями, грибами, простейшими (редуценты). Эту живую часть биогеоценоза В.Н.Сукачев относил к биоценозу. Неживую, абиотическую, часть биогеоценоза слагают совокупность климатических факторов данной территории - климатоп и биокосное образование - эдафотоп (почва). Такая совокупность абиотических компонентов биогеоценоза носит название биотоп. Все взаимодействия компонентов биогеоценоза связаны между собой совокупностью пищевых цепей и взаимообусловлены. Главным созидателем живого вещества в пределах биогеоценоза является фитоценоз - зеленые растения. Биогеоценоз существует только в рамках фитоценоза. При невозможности выделить фитоценоз участок определяется как экосистема. 6.Понятие о системах. Структура и поведение систем. Систе́ма (от греч. σύστημα, «составленный») — объединение некоторого разнообразия в единое и чётко расчленённое целое, элементы которого образуют с целым и другими частями определённые отношения; часто наиболее ценным в системе является то, что в неё не укладывается; множество взаимосвязанных элементов, организованных некоторым образом в единое целое и противопоставляемое внешней среде. Под системой могут пониматься не только связанные между собой предметы, но и некоторая совокупность свойств предметов или явлений. Термин система в его современном значении используется с древности и встречается в трудах Платона (Philebus), Аристотеля (Политика) и Евклида (Начала Евклида). Он означает общее, множество, союз. Одним из основателей теории систем был биолог Людвиг Берталанфи. Берталанфи определил систему как «элементы во взаимосвязи» Существуют модели, принципы и законы, которые применимы к обобщённым системам или их подклассам, независимые от их особого рода, природы их компонентов, типов связей между ними. Кажется, что можно создать теорию, которая бы изучала не системы какого-то определённого рода, но дававшая понимание принципов систем в общем. В большинстве случаев целое имеет свойства, которые не могут быть познаны при помощи анализа частей целого по отдельности. Бела Бенати:
Кибернетика может рассматриваться в качестве теории управления механизмами в технологии и природе и основана на понятиях «информации» и «обратной связи», а потому является частным случаем общей теории систем. Теория катастроф — раздел математики, включающий в себя теорию бифуркаций дифференциальных уравнений (динамических систем) и теорию особенностей гладких отображений. Термины «катастрофа» и «теория катастроф» были введены Рене Томом (René Thom) и Кристофером Зиманом (Christopher Zeeman) в конце 1960-х — начале 1970-х годов («катастрофа» в данном контексте означает резкое качественное изменение объекта при плавном количественном изменении параметров, от которых он зависит). Одной из главных задач теории катастроф является получение так называемой нормальной формы исследуемого объекта (дифференциального уравнения или отображения) в окрестности «точки катастрофы» и построенная на этой основе классификация объектов. Теория хаоса в последнее время является одним из самых модных подходов к исследованию рынка. К сожалению, точного математического определения понятия хаос пока не существует. Сейчас зачастую хаос определяют как крайнюю непредсказуемость постоянного нелинейного и нерегулярного сложного движения, возникающую в динамической системе. Согласно теории хаоса, если вы говорите о хаотичном движении цены, то вы должны иметь ввиду не случайное движение цены, а другое, особенно упорядоченное движение. Если динамика рынка хаотична, то она не случайна, хотя и по-прежнему непредсказуема. Непредсказуемость хаоса объясняется в основном существенной зависимостью от начальных условий. Применительно к невозможности делать долгосрочные прогнозы погоды существенную зависимость от начальных условий иногда называют «эффектом бабочки». «Эффект бабочки» указывает на существование вероятности того, что взмах крыла бабочки в Бразилии приведет к появлению торнадо в Техасе. Один из главных выводов теории хаоса, таким образом, заключается в следующем – будущее предсказать невозможно, так как всегда будут ошибки измерения, порожденные в том числе незнанием всех факторов и условий. То же самое по-простому – малые изменения и/или ошибки могут порождать большие последствия. Еще одним из основных свойств хаоса является экспоненциальное накопление ошибки. Согласно квантовой механике начальные условия всегда неопределенны, а согласно теории хаоса – эти неопределенности будут быстро прирастать и превысят допустимые пределы предсказуемости. Второй вывод теории хаоса – достоверность прогнозов со временем быстро падает. Данный вывод является существенным ограничением для применимости фундаментального анализа, оперирующего, как правило, именно долгосрочными категориями. Теория сложности. Сложная система – система, некоторые элементы или связи которой сами являются системой Объединяя элементы и связи простой системы в комплексы, можно получить в меньшем количестве элементы и связи для сложной системы, которая будет более обозримой и доступной пониманию. С другой стороны - углублённое изучение элементов простой системы может привести к созданию сложной модели системы. Сложность системы относительное понятие, зависящее от степени моделирования этой системы в изучающей её интеллектуальной системе Сложные адаптивные системы являются специальным случаем сложных систем. Они являются комплексными (сложными), поскольку разнообразны и составлены из многих различных взаимосвязанных элементов. Также они являются адаптивными (настраивающимися), поскольку имеют возможность обучаться и накапливать опыт. Термин «сложная адаптивная система» был предложен в междисциплинарном институте Санта-Фе Дж. Холландом, М. Гелл-Манном и другими. Одной из проблем адаптивных систем является проблема выбора нужной информации и стратегии в неоднозначных условиях, когда требуется использовать нестандартные алгоритмы. Идеи о сложных адаптивных системах и их модели являются довольно существенными для изучения процесса эволюции. Сегодня сложные адаптивные системы становятся основой таких наук как биология, теория адаптации и теория эволюции. Соответственно, теория сложных адаптивных систем связывает исследования в области теории систем с обобщённым дарвинизмом, который предлагает использовать принципы дарвинизма при рассмотрении эволюции широкого ряда сложных объектов, от космических до социальных объектов. Теория живых систем — это ответвление основной теории систем Берталанфи, созданное Джеймсом Гриром Миллером и предназначенное для того, чтобы формализовать концепцию «жизни». Согласно оригинальной концепции Миллера (см. его выдающийся труд «Живые системы»), «живая система» должна содержать каждую из 20 «критических подсистем», которые определяются своими функциями и могут быть наблюдаемы в широком ряде систем, от простых клеток до организмов, стран и сообществ. В труде «Живые системы» Дж. Миллер представил детальную проработку множества систем, расположенных по возрастанию их размера и идентификации подсистем в них . Окружающая среда и границы Теория систем рассматривает мир как сложную систему взаимодействующих частей. Для выделения системы определяются её границы, а части системы отделяются от окружающей среды. Затем строится модель системы, позволяющая понять её свойства и структуру и предсказывать её поведение. Природные и искусственные системы Все системы можно подразделить на природные и искусственные. В отличие от природных систем, искусственные системы делаются с некоторой целью, достигаемой при их использовании. Для получения нужного результата искусственные системы конструируются специальным образом, а их части должны составлять необходимое единство и функционировать соответствующим образом. Процессы преобразования В системе могут осуществляться процессы преобразования входных потоков вещества, энергии и информации в выходные потоки. В целенаправленной деятельности системы программируются на определённые входные потоки и на производство заданного выходного продукта. Субсистема (подсистема) Подсистема — система, являющаяся частью другой системы. Надсистема — более крупная система, частью которой является рассматриваемая система. В математике вместо понятия системы и подсистемы чаще всего оперируют понятиями множество и подмножество. Модель системы Изучение и разработка систем совмещает множество аспектов, таких как планирование, анализ, дизайн, комплектация, порядок функционирования, структура, поведение, входные и выходные потоки. Для описания и представления всех этих аспектов необходима модель системы. Модель - это объект, структура которого, связана со структурой объекта-прототипа некоторым отношением (сходства, подобия,...); И связь наблюдается интеллектуальной системой. Архитектура системы Архитектура системы — концепция, задающая модель, структуру, выполняемые функции и взаимосвязь компонентов системы. Типы систем Замкнутые системы — системы, у которых отсутствует какой-либо обмен энергией, материей и информацией с окружающей средой. Для замкнутых систем характерно увеличение беспорядка (второе начало термодинамики). Закрытые системы характеризуются отсутствием какого-либо обмена материей с окружающей средой и возможностью обмена энергией и информацией. Изолированные системы имеют возможность обмениваться с внешним миром только информацией. Открытые системы, в отличие от замкнутых, допускают обмен энергией, материей и информацией с окружающей средой. В открытых системах могут происходить явления самоорганизации, усложнения или спонтанного возникновения порядка |