Основные законы экологии. Реферат по экологии. Общесистемные законы, правила и принципы
 Скачать 402 Kb.
|
|
Связь обратная – обратное воздействие чего-то на то, что воздействует на него, к примеру, обратное воздействие управляемого процесса на управляющий орган (подсистему). Различают положительную и отрицательную обратную связь. Положительная обратная связь – это когда результат управляемого процесса усиливает его. Например, увеличение плотности населения животных до определенного предела вызывает повышение скорости размножения, т. к. пары легче находят друг друга. Отрицательная обратная связь – это когда результат управляемого процесса ослабляетего действие. Например, превышение упомянутого предела плотности населения животных ведет к депопуляции из-за факторов стресса. В результате отрицательных обратных связей после любых малых возмущений система возвращается в первоначальное состояние, что характеризует ее устойчивость. Можно говорить также, что такая система находится в динамическом равновесии. В биосфере механизм осуществления принципа Ле Шателье – Брауна основывается на функционировании живых систем. В наши дни действие данного принципа глубоко нарушено. Поскольку биосфера имеет лишь одно исторически достигнутое устойчивое состояние, то единственным способом восстановить действие принципа ЛеШателье – Брауна будет сокращение площадей антропогенно измененных экосистем, а также уменьшить долю потребления продукции биосферы человеком! Следует помнить, что при естественном и искусственном изменении систем, в том числе и экосистем, действует принцип направленности эволюции (Л. Онеагер), или закон минимума диссипации (рассеивания) энергии: при вероятности развития процесса в некотором множестве направлений, допускаемых началами термодинамики, реализуется то, которое обеспечивает минимум диссипации энергии (или минимум роста энтропии). То есть эволюция всегда направлена на снижение рассеивания энергии, на ее неравномерное распределение. Синергетика Синергетика (от греч. synergetikes – совместный, согласованнодействующий) – научное направление, изучающее связи между элементами структуры (подсистемы), которые образуются в открытых системах, благодаря интенсивному (потоковому) обмену веществом и энергией с окружающей средой в неравновесных условиях. В таких системах наблюдается согласованное поведение подсистем, в результате чего возрастает степень её упорядоченности, т.е. уменьшается энтропия и происходит так называемая самоорганизация. Основа синергетики – термодинамика неравновесных процессов, теория случайных процессов, теория нелинейных колебаний и волн. Синергетика, изучая законы самоорганизации, самодезорганизации и самоуправления сложных систем, дает то универсальное знание законов самоорганизации и развития систем, в котором давно назрела насущная потребность. Классическая наука имеет дело с закрытыми системами и не учитывает их взаимосвязь с внешним миром. Процессы в этих системах носят обратимый характер: при устранении внешнего воздействия система автоматически возвращается в исходное состояние. Нелинейность же означает возможность спонтанных направлений изменений системы, поскольку развитие совершается через случайность выбора пути в момент бифуркации. Точка бифукации представляет собой переломный, критический момент в развитии системы, в котором она осуществляет выбор пути; иначе говоря, эта точка ветвления вариантов развития, точка, в которой происходит катастрофа. Термином «катастрофа» в концепциях самоорганизации называют качественные, скачкообразные, внезапные («гладкие») изменения, скачки в развитии. В точке бифуркации происходит переход от линейного к нелинейному состоянию системы. Она входит в бифуркационное состояние, когда ее поведение становится неоднозначным. Именно это состояние анализируется в теории катастроф. В рамках этой теории рассматриваются скачкообразные изменения, которые могут возникнуть в системе в ответ на эволюционные трансформации внешней среды. К примеру, при наличии на склоне горы большой массы снега любая сломанная веточка может привести к критической ситуации, которая вызовет снежную лавину. Теория катастроф является основой для анализа социоприродных систем в их критическом состоянии. Так, высокую степень опасности представляют собой локальные военные конфликты и социальное неравенство людей и государств; не обеспечивают необходимой безопасности для человека и среды его обитания существующие формы технологии – атомная энергетика, транспорт, химические, нефтеперерабатывающие, металлургические и другие виды промышленности, современное интенсивное сельскохозяйственное производство и т. д. Потенциальных траекторий развития системы много и точно предсказать, в какое состояние перейдет система после прохождения точки бифуркации, невозможно, что связано с тем, что влияние среды носит случайный характер (закон поливариантности путей развития систем в точке бифуркации). В реальных условиях при углублении неравновесности в открытой системе возникает определенная последовательность бифуркаций, сопровождающаяся сменой структур. Типичным примером такого сценария является развитие турбулентности с чередующимися типами все более усложняющихся движений. Состояние системы в момент бифуркации является неустойчивым и бесконечно малое воздействие может привести к выбору дальнейшего пути. Финальным состоянием эволюционирующих физических систем является состояние динамического хаоса. Управление самоорганизующейся системой может рассматриваться как способствование собственным тенденциям её развития, с учетом присущих ей элементов саморегуляции. Однако это не означает, что самоорганизующейся системе можно навязать путь развития, т.к. самоорганизация в сложных системах свидетельствует о невозможности установления полного контроля за системой (закон невозможности установления жёсткого контроля за системой). Выбор пути развития в точке бифуркации может быть связан с жизненностью и устойчивым типом поведения системы. Согласно принципу устойчивости среди возможных форм развития системы реализуются лишь устойчивые; неустойчивые если и возникают, то быстро разрушаются. Повышение размерности и сложности системы вызывает увеличение количества состояний, при которых может происходить скачок (катастрофа), и числа возможных путей развития, то есть чем более разнородны элементы системы и сложны ее связи, тем более она неустойчива. Эта закономерность известна как «закон Легасова» – чем выше уровень системы, тем более она неустойчива, тем больше расходов требуется на ее поддержание. Чем более неравновесна система, тем из большего числа возможных путей развития она может выбирать в точке буфирации. Одни и те же ветви или типы ветвей могут реализовываться неоднократно. Например, в мире социальных систем есть общества, многократно выбиравшие тоталитарные сценарии. Вместе с тем два близких состояния могут породить совершенно различные траектории развития. Выбор той или иной ветви производится, в соответствии с принципом диссипации, являющимся одним из основных законов развития, заключающихся в следующем: из совокупности допустимых состояний системы реализуется то, которому отвечает минимальное рассеяние энергии, или, что то же самое, минимальный рост (максимальное уменьшение) энтропии. В процессе своего развития система проходит две стадии: эволюционную (иначе называемую адаптационной) и революционную (скачок, катастрофа). Во время развертывания эволюционного процесса происходит медленное накопление количественных и качественных изменений параметров системы и ее компонентов, в соответствии с которыми в точке бифуркации система выберет один из возможных для нее новых путей развития. В результате этого произойдет качественный скачок и система сформирует новую диссипативную структуру, соответствующую выбранному пути, что происходит в процессе адаптации к изменившимся условиям внешней среды. Иногда вывод о будущем состоянии и поведении системы можно сделать, исходя из «закона маятника» – скачок может способствовать выбору пути, «противоположному» прошлому. После формирования новой диссипативной структуры система снова вступает на путь плавных изменений, и цикл повторяется. Катастрофа изменяет организованность системы, причем всегда в сторону ее увеличения. Временная граница катастрофы определяется «принципом максимального промедления»: система делает скачок только тогда, когда у нее нет иного выбора. Синергетический подход позволяет моделировать практически любые сложные системы, встречающиеся в природе – живые организмы, экосистемы, социальные и т. д. Иерархия систем Системные образования состоят из подсистем, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность, единство и характеризующихся определенной организацией – иерархией. Иерархия (от греч. hieros – священный и arche – власть) – расположение частей или элементов целого в порядке от высшего к низшему. Термин употребляется для описания любых системных объектов. Иерархия природных систем – соподчинение функциональных систем Вселенной, при котором меньшие подсистемы составляют большие системы, сами являющиеся подсистемами более крупных систем. К примеру, элементарные частицы составляют атомы, атомы – молекулы и т. д. вплоть до галактик и Вселенной. В одних случаях подсистемы и их надсистемы оказываются относительно не зависимыми образованиями, например, особь в популяции. В других случаях эта самостоятельность намного меньше, например, клетка в живой ткани, орган в организме. Именно в этом смысле говорится о соподчинении (иерархии) системы, ее надсистемы и подсистем и о так называемой эмерджентности. Эмерджентность (от англ. emergent – внезапно возникающий) – наличие у системного целого особых свойств, не присущих его подсистемам и блокам, а также сумме элементов, не объединенных системообразующими связями. При образовании системы из подсистем происходит не простой переход количества в качество, а особая форма интеграции, подчиняющаяся иным законам формообразования, функционирования и эволюции. Принцип эмерджентности обязательно необходимо учитывать при экологических исследованиях, экспертизе и прогнозе. Любая искусственная модель, построенная при помощи самых совершенных компьютеров, не абсолютно адекватна своему естественному прототипу, качественно отличается от него, т. к. не может учесть всю гамму его составляющих элементов, воздействующих на него экологических факторов и нелинейный характер его развития. Удаление модели от реальности увеличивается с ростом сложности природной системы, иерархичности ее структур. Принцип иерархической организации в биологии и экологии принимается как аксиома или эмпирически наблюдаемый факт. Общие принципы формирования иерархии: – дублирование относительно разнокачественных структур, составляющих в своей организованной совокупности нечто новое, т. е. наличие свойства эмерджентности; – определенность функциональной цели организации в рамках связей со средой и внутренних возможностей системы. Закон оптимальности – с наибольшей эффективностью любая система функционирует в некоторых характерных для нее пространственно-временных пределах, т. е. никакая система не может сужаться или расширяться до бесконечности. Конкретный размер системы должен соответствовать выполняемым ею функциям. К примеру, чтобы летать, птица не может быть слишком тяжелой, а хищник, чтобы про кормиться, не должен быть слишком большой (или маленький) по сравнению с жертвой. Структура природной системы контролируется законом упорядоченности заполнения пространства и пространственно-временной определенности: заполнение пространства внутри природной системы в силу взаимодействия между ее подсистемами упорядочено таким образом, что позволяет реализоваться гомео-статическим свойствам системы с минимальными противоречиями между частями внутри нее. Нарушение же естественной упорядоченности заполнения пространства в природных системах в ходе их использования требует дополнительных средств и сил для их поддержания в продуктивном состоянии. Данное обстоятельство является одной из причин действия закона снижения энергетической эффективности природопользования. Наблюдается повторение свойств в рядах систем одного иерархического уровня. Эта закономерность получила название закона периодичности строения системных совокупностей, или системопериодического закона. Закон гласит, что принципы структурного построения и управления однородных природных систем в иерархическом соподчинении, и особенно сложения таких же природных систем одного уровня организации (иерархии), повторяются с некоторой правильностью в зависимости от действия единого (комплекса) систематизирующего фактора (факторов). Частными проявлениями этого общего закона является периодический закон химических элементов Д. И.Менделеева, строение космических тел, сукцессионные стадии развития экосистем и др. Отношения «система — среда» Понятие системное окружение (окружающая среда системы) имеет очень важное значение. Его происхождение обусловлено биологическими и экологическими представлениями «организм – окружающая среда». В более общем виде под окружающей средой системы понимается совокупность всех объектов, изменение свойств которых влияет на систему и на которые влияет изменение свойств системы. Ни одна система объектов не может быть рассмотрена вне системного окружения. Правильность данного заключения подтверждает правило замещения экологических условий (В. В. Алехин): любое условие среды в некоторой степени может замещаться другими, следовательно, внутренние причины экологических явлений при аналогичном внешнем эффекте могут быть различными. К примеру, климатические факторы могут замещаться биологическими – вечнозеленые виды южных растений в более континентальном климате способны расти в подлеске под защитой верхних ярусов, т. е. в создаваемом ими микроклимате – правило замещения экологических условий. Абсолютно изолированные системы вне связи с окружающей средой длительное время существовать не могут в силу действия второго начала термодинамики (закона возрастания энтропии). Вещество и энергия для функционирования и развития систем могут поступать лишь из среды, окружающей эту систему. И только за счет этой среды может существовать и прогрессировать любая система. Данный закон имеет чрезвычайно важное теоретическое и практическое значение в экологии, благодаря вытекающим из него трем следствиям: – абсолютно безотходное производство невозможно – это было бы равнозначно созданию «вечного» двигателя; – любая более высокоорганизованная биотическая система (к примеру, вид живого), используя и видоизменяя среду жизни, представляет угрозу для более низкоорганизованных систем. Благодаря этомув биосфере невозможно повторное зарождение жизни – она будет уничтожена существующими организмами; – биосфера как система развивается не только за счет ресурсов планеты, но опосредованно за счет и под управляющим воздействием космических систем и прежде всего Солнечной системы. Экологическое значение первого следствия: мы можем рассчитывать лишь на малоотходное производство. Поэтому первым этапом развития производственных технологий должна быть их малая ресурсоемкость на входе, экономность и незначительные выбросы на выходе. Вторым этапом экологизации производства будет созданиецикличности технологических процессов – повторное использование воды, вторичного сырья, отходы одних производств могут быть сырьем для других и т. д. Третьим этапом является организация разумного захоронения неминуемых остатков и нейтрализация неустранимых энергетических отходов. Представление о том, что биосфера работает по принципу безотходности ошибочно, т. к. в ней всегда накапливаются выбывающиеиз биологического круговорота вещества, формирующие осадочные горные породы — известняки, доломиты, мергали, каменная соль, гипс, калийная соль и др. Экологическое значение второго следствия: воздействие человека на природу требует мероприятий по нейтрализации этих воздействий, поскольку они могут оказаться разрушающими для остальной природы и, следовательно, угрожают тем самым самому человеку. В связи с этим охрана природы – одно из обязательных составляющих социально-экономического развития высокоразвитого общества. Экологическое значение третьего следствия: особое значение имеет для долгосрочного прогнозирования. Однако необходимо осознать, что космическое воздействие преломляется земными процессами, и выявление здесь прямых связей носит вероятностный характер. Энергия, вещество и информация, поступающие в систему извне и выступающие как факторы ее жизни, действуют не в «чистом» виде, а избирательно усваиваются и видоизменяются этой системой. Если они проходят предварительно через надсистемы рассматриваемой системы, то эти процессы идут многократно и до нее доходят в трансформированном всеми надсистемами виде, т. е. действует принцип преломления действующего фактора в иерархии систем. Принцип преломления действующего фактора в иерархии систем применим и к самой системе как преобразующем факторе члена иерархии: фактор, действующий на систему, преломляется через всю иерархию ее надсистем и через функциональные особенности самой системы. В связи с этим обычно воздействие надсистем не равно по силе и не совпадает по времени с интенсивностью и моментом их возникновения. Внешние для системы воздействия, как правило, проявляются не прямо, а опосредованно механизмами функционирования этой системы. Они могут быть ослаблены ее буферными (англ. buffer, от buff – смягчать толчки) свойствами или усилены возникающими цепными реакциями. Во всех этих случаях проявлен принцип преломления действующего фактора внутри системы. Отличие принципа преломления действующего фактора внутри системы от принципа преломления действующего фактора в иерархии систем – в первом случае буфером оказываются механизмы самой системы, а во втором – механизмы ее надсистем. В силу преломления действующего фактора в иерархии систем и наличия многих «фильтров» этот фактор либо ослабляется, либо усиливается, а чаще всего оказывается неравномерным по силе воздействия и с ходом времени. Система немедленно или с задержкой реагирует на возникающие флуктуации. Данная закономерность получила название закона функционально-системной неравномерности: темпы реакций и прохождения фаз развития системы (в ответ на действия внешних факторов) закономерно неравномерны – они то убыстряются (усиливаются), то замедляются (ослабевают). |