Пышкин В Изучение экосистем. Cтатья в РГГМУ Пышкин Игнатов Прыгунова 2. В. Б. Пышкин, Е. И. Игнатоа, И. Л. Прыгунова биогеоинформационные методы изучения экосистем в современной экологии
 Скачать 477.46 Kb.
|
|
В.Б. Пышкин, Е.И. Игнатоа, И.Л. Прыгунова БИОГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ЭКОСИСТЕМ В СОВРЕМЕННОЙ ЭКОЛОГИИ V.B. Pyshkin, E.I. Ignatov, I.L.Prygunova BIO-GEOINFORMATION METHODS OF ECOSYSTEM RESEARCH IN MODERN ECOLOGY Объектом современной экологии является экосистема, которая не воспринимается человеком как целостная система. Однако с появлением геоинформационных технологий и дистанционных методов зондирования Земли становится возможным создание информационной модели экосистемы её визуализация и изучение. Модель представляет собой банк баз данных, сложная структура которого является информационным отражением состава, структуры и состояния всех уровней организации экосистем и их компонентов в пределах Крымского полуострова. Её основой являются картографический и экологический блоки банка баз данных. Первый (GisCrim) состоит из серии электронных карт, которые выполняют одновременно несколько функций: выступают как основа пространственной модели экосистемы и как средство оперативной передачи пространственно-временной информации. Второй блок BisCrim (биоинформационные системы Крыма) – это реализованная на основе GisCrim, система функционально - и пространственно-распределенных подсистемных баз данных: CrimInsecta, CrimMammalia, CrimAves, CrimReptilia, СrimAmphidia, CrimSoil, СrimFlora и др. Ключевые слова: экология, экосистема, геосистема, водосборный бассейн, ландшафт, информационная модель. Ecosystem, being the research object of modern ecology, is not perceived as a holistic system. However, with the advent of GIS and Remote Sensing techniques it is possible to develop an information model of the ecosystem, including its visualization and studying. The model is a database bank, which is a complex structure of information reflecting the composition, structure and status of all levels of the organization of ecosystems and their components within the Crimean peninsula. The model is based on mapping and environmental blocks of the database bank. The first block (GisCrim) consists of a series of electronic maps, which simultaneously serve multiple functions: act as the basis of a spatial model of the ecosystem and as a means of rapid transmission of spatio-temporal information.The second block BisCrim (Crimea Bioinformatics System) - built on the basis of GisCrim, is a system of functional and spatially-distributed subsystem databases: CrimInsecta, CrimMammalia, CrimAves, CrimReptilia, SrimAmphidia, CrimSoil, SrimFlora and others. Keywords: ecology, ecosystem, geosystem, catchment area, the landscape, the information model. Экология и экосистема Современная экология, прежде чем стать самостоятельной наукой, прошла длительный и сложный путь своего развития. Экология сегодня из строго биологической науки, зародившейся в недрах ботаники и зоологии как экономика природы или биоэкология, превратилась в значительный цикл знаний, вобравший в себя разделы географии, геологии, почвоведения, биологии, химии, физики и многих других научные дисциплины. Это биоцентричная наука, но не биология, не география и ни какая иная наука. Это новый, такой же самостоятельный раздел естествознания, как и математика, физика, химия и т.д. [8 ст.12]. Современная экология это наука об экосистемах, их строении, составе, свойстве, уровнях организации, географическом положении, закономерностях их происхождения, развития, функционирования, роли в Природе, путях и методах их охраны и рациональном использовании в хозяйственной деятельности человека. Объективный критерий самостоятельности науки применимый и к экологии удачно сформулирован С.В. Калесником: «Бесспорным мерилом самостоятельности... служит наличие у науки собственного объекта исследования, качественно отличного от объектов исследования других наук. Наука тогда самостоятельна, когда она изучает то, чего не изучают другие» [2 ст.5]. Это справедливо и в отношении частных наук в пределах общей дисциплины. Они не могут отличаться друг от друга объектом исследования, так как он у них один. Как правило, они отличаются предметами и методами исследования. Объектом современной экологии является экосистема - сложная самоорганизующаяся, саморегулирующаяся и саморазвивающаяся открытая система (целостность), образованная живым и биокосным веществом, способная трансформировать и аккумулировать энергию, осуществляя биогеохимический круговорот элементов, накапливать и обрабатывать информацию, создавать органическое вещество из неорганического, сохраняя свой гомеостаз большее время, чем составляющие её особи. Сегодня экология рассматривает экосистему, как самостоятельную единицу, которую надо изучать как индивид, не познаваемый путем разложения на отдельные элементы [3]. Понятие «система» и представление о системном устройстве мира было введено в научный обиход философами-стоиками: Зеноном, Хрисиппом, Сенекой, Марком Аврелием. Они утверждали, что целое не сводимо к простой сумме слагающих его частей; оно всегда качественно новое, особенное. Но в дальнейшем развитие науки пошло по герменевтическому кругу, в котором после общего восприятия целого следует анализ его частей, а затем выполняется их синтез с возвращением к пониманию целого на основе данных анализа. К сожалению, этот путь малоприменим в изучении открытых сверхсложных саморегулирующихся и саморазвивающихся нелинейных экологических систем, организменного типа. Их сущность не исчерпывается простым набором элементов, а зависит от конфигурации взаимосвязей, которыми эти элементы объединяются в систему, сопряженностью этих связей. Сложность, в становлении экологии как самостоятельной науки, связана с проблемой перестройки нашего мышления. В работах биологов исследуются взаимосвязи и взаимодействия организмов друг с другом и с окружающей средой. Само же представление о возникновении экосистемы путем соединения отдельных организмов в принципе не переосмысливается и является основой теорий и экспериментов. Вместе с тем основная трудность понимания принципов организации экосистемы заключается именно в исходном представлении о возникновении целого. Экосистема не складывается из первоначально заданных элементов, а наоборот, формирует все необходимые ей компоненты через их функции, которые она сама же и создает через противоречия, возникающие в ее целостном движении [4]. В. И. Вернадский предполагал возможность возникновения биосферы, как экосистемы высшего уровня экологической организации не в виде отдельных протоорганизмов а сразу в виде целостного «монолита жизни». «Неизбежно допустить,- пишет он - что, может быть менее сложная в основных чертах, чем теперешняя, но все же, очень сложная жизненная среда сразу создалась на нашей планете как нечто целое в догеологический ее период. Создался целый монолит жизни, жизненная среда, а не отдельный вид живых организмов, к какому нас ложно приводит экстраполяция, исходящая из существования эволюционного процесса» [1 ст.54]. Представление экосистемы как целостности, сразу возникающей в виде единого монолита жизни, трудно согласуется с привычным эмпирическим образом становления целого как соединения элементов. Поэтому большинство кичэкологов обычно «исправляют» представление Вернадского о биосфере, определяя ее как совокупность организмов, сложившуюся в результате их возникновения и размножения. Здесь восстанавливается привычная логика, согласно которой целое возникает благодаря взаимодействию и взаимосвязям его элементов. Этот привычный для нас способ конструирования вещей путем соединения деталей и элементов кичэкологи экстраполируют на экосистему, но место конструктора оставляют вакантным [5]. Представлению о возникновении экосистемы из отдельных элементов, противостоит диалектический принцип изначального единства материального мира, понимание Природы как системы, изначально взаимосвязанной в своей организации, признание материи в качестве единой субстанции мира. Очевидно, основанием для понимания природы экосистем выступает представление о дифференциации единого целого, развитие экосистем разных уровней организации биосферы порожденных ее дискретностью из предшествующей непрерывности. Устойчивостью и сохранностью экосистем в условиях ни на миг не прекращающегося движения вещества, энергии и информации внутри биосферы и между биосферой и прилегающими геосферами нашей планеты как целостной биогеосистемы. Хотя практическое мышление многих «экологов» всё ещё определяется терминами зоологии и ботаники, понятиями трехмерного пространства и линейной причинности, философское понимание сущности экосистемы становится уже более сложным и искушенным, оно приближается к представлениям в теориях систем и информации, кибернетики и синергетики. Экологическая система в них предстаёт бесконечной сетью связей и отношений, как в элементах её образующих, так и между этими элементами образующих системную среду и выходит за границу дихотомии включающей формы и пустоты, порядок и хаос, обратимость- необратимость, равновесность-неравновесность, детерминизм-случайность, линейность-нелинейность. Можно провести интересную параллель – возможно, не просто по совпадению, а по глубокому смыслу в работе Фритьофа Капры «Дао физики» [9]: «Ньютоновская модель мира была адекватной и даже весьма успешной до тех пор, пока физики исследовали явления в мире повседневного опыта, или в «зоне средних измерений». Как только они начали совершать экскурсии за пределы обычного восприятия в микромир субатомных процессов и в макромир астрофизики, ньютоновская модель стала не пригодной, возникла необходимость её трансценденции». Аналогично, глубокие концептуальные и метафизические изменения происходят с экологией, которая занимается исследованиями системного пространства, которое объединяет живые организмы и созданную ими биокостную среду в единое целое - экосистему. У науки, которая принимает в расчет свидетельства необычных состояний биогеосистем, нет другого выбора, кроме как освободить себя от узких рамок моделей изучающих среднестатистические совокупности организмов и их взаимосвязи с абиотической средой, упорядоченность, устойчивость, гомеостаз, предсказуемость. Подобно квантовой механики, экология сегодня это наука о становлении системы, которая, сменяя старую науку о бытие, переносит внимание с субстанции на процесс, изучая разупорядоченность, неустойчивость, неравновесность, непредсказуемость. Структура здесь – случайный продукт взаимодействующих процессов, который, по словам Эриха Янга [10] - не более прочен, чем картина стоячей волны при слиянии двух рек или улыбка чеширского кота. Современная модель экосистемы показывает её единой и неделимой сетью событий и взаимосвязей, её части представляют разные аспекты и паттерны одного интегрального процесса большой сложности. Поэтому, экосистему надо рассматривать не как среду, в которой взаимодействуют энергия и информация, а как организованную открытую нелинейную систему, в которой вещественно- энергетические процессы подчинены информационным. Потоки сигналов (информации) столь же материальны, как остальная часть экосистемы, но информация течёт в цепях, которые выходят за общепринятые границы индивидуальности и включают всё окружение. В единой сети экосистемы любые структуры, формы и разграничения предельно произвольны, а форма и пустота – относительные понятия. Экосистема с такого рода свойствами в принципе не исключает возможность сущностей объективно существующих элементов, любой величины и с любыми характеристиками. Проект BisCrim+GisCrim Переход от вещества к существу есть «скачок» в мире информационных сетей и потоков информации. Сущностное существование не наблюдаемое, не уловимое обычными средствами и в обычном восприятии реальности. Но активное развитие геоинформационных систем как технологической базы интеграции пространственно-координационной информации позволяет обеспечить все виды операций по созданию, хранению и аналитической обработке цифровых отображений экосистем, выделять их границы, состав, структуру и иерархическую организацию в картографические базы и банки баз данных их элементов, объединенных общей системой классификации и кодирования. С развитием и доступностью аэрокосмических методов дистанционного исследования экосистем Земли стало возможным перекачивать громадные массивы информации в «картинки-концентраты знаний», визуализировать основные информационные потоки в экосистемах и между ними. С целью изучения механизм актуализации потенциальных экосистем структура организации которых содержит все возможные варианты их стационарных состояний, специалисты кафедра экологии и зоологии КФУ им В.И. Вернадского и кафедра геоэкологии и природопользования филиала МГУ им М.В. Ломоносова в г. Севастополе работают над созданием биогеоинформационной модели Крымского полуострова (проект BisCrim+GisCrim). Модель представляет собой банк баз данных, сложная структура которого является информационным отражением состава, структуры и состояния всех уровней организации экосистем и их компонентов в пределах Крымского полуострова. Её основой являются картографический и экологический блоки банка баз данных[6]. Первый (GisCrim) состоит из серии электронных карт, которые выполняют одновременно несколько функций: выступают как основа пространственной модели экосистемы и как средство оперативной передачи пространственно-временной информации. Он отображает ландшафтный каркас полуострова: высота над уровнем моря, крутизна, длинна и экспозиция склонов их геоморфология, литология и т.д. Данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) содержащие серии космоснимков со средним и высоким пространственно-временным разрешением и отображением поверхности полуострова в спектральных диапазонах разных излучений. Детальность этих снимков и информация, полученная по спектральным каналам, позволяет выделить границы экосистем, а генерализация установить их иерархическую структуру. Второй блок BisCrim (биоинформационные системы Крыма) – это реализованная на основе GisCrim, система функционально - и пространственно- распределенных подсистемных баз данных: CrimInsecta, CrimMammalia, CrimAves, CrimReptilia, СrimAmphidia, CrimSoil, СrimFlora и др. Их основой являются авторские разработки по биоэкологии, биологии, морфологии, систематики и хорологии биологических видов и почв для которых достоверно известны пространственные координаты их нахождения в экосистемах полуострова. Экологическая информация блока представлена в виде «базовой карты» - карты элементарных экосистем полуострова, которая содержит наиболее характерные сведения об экосистеме. Она логически организована как набор электронных слоев однородных объектов, т. е. серии компонентных электронных тематических карт - геологического строения, четвертичных отложений, почв, климата, флоры, фауны их физико-химических показателей, таксономического и видового богатства, иерархического разнообразия и сложности организации комплексов этих экосистема. Для их визуализации наиболее удобной ГИС является ArcView которая представляет собой настольную геоинформационную систему и позволяет быстро отображать различные комбинации данных, проводить универсальный растровый пространственный анализ. Наиболее интересными для создания цифровых моделей экосистем являются модули: ArcView SpatialAnalist - обеспечивающий растровое и векторное моделирование и включает в себя такие функции как определение расстояния и близости, моделирования поверхности и др., и ArcView 3DAnalist – который предназначен для создания трехмерных контуров, выполнения трехмерного пространственного анализа, создания поверхности и плотности распределения данных, а также моделирования пространственно-временной динамики экосистем. Уровень организации выделяемой экосистемы отвечает уровню развития ландшафта, в котором эта экосистема формируется. Экосистему невозможно представить вне ландшафта (хотя ландшафт, без экосистемы можно). Они связаны вещественно-энергетическими взаимодействиями, которые во многом определяются информационными полями геосистем. Ландшафтное пространство представляет собой совокупность смыкающихся и перекрестно наложенных друг на друга полей хорионов, образующих единое ландшафтное поле, подобно «вязи ажурного платка» , визуализацию которого в пространстве можно увидеть по расположению элементарных экосистемам. Можно привести интересную аналогию. Если железные опилки разбросать на поверхности, под которой находится магнит, они расположатся по рисунку «силовых линий» магнита. Если эти опилки стряхнуть и перемешать и вновь высыпать на туже поверхность, они повторят тот же рисунок, что и прежде, но сочетания элементов этих опилок никогда не повторятся. Ландшафт генерирует «силовые линии», которые создают неповторимый «рисунок ажурного платка» пространственной структуры экосистемы. В случаи разрушения региональной экосистемы, но сохранения ландшафта, экосистема восстановится, но элементы ее структуры скорей всего будут другие. Вещественно- энергетическая и информационная напряженность ландшафтно-географических полей создаваемых хорионами даёт возможность строить формы экологической организации не методом слепого отбора, многократных проб и ошибок, а путем многократного сокращения вещественно-энергетических затрат и усилий, путем резонансного возбуждения потенциальных и - что не менее важно - актуализируемых в геоинформационном поле экологических структур. Т.е. возможен путь направленного морфогенеза - спонтанного нарастания сложности в открытых нелинейных экологических средах. Последний можно рассматривать как некий аналог биологических процессов морфогенеза и "штамповки" типа редупликации ДНК. В сходных ландшафтах одной природной зоны будут формироваться сходные экосистемы. Крымский полуостров можно рассматривать как сложную, иерархическую геосистему, состоящую из геоморфологических элементов (ГМЭ) различных уровней организации, в пределах которых формируются экосистемы. Поскольку предполагаемая модель является сложной структурной системой, она всегда имеет какую-то степень неоднородность. С нарастанием неоднородности степень единства в ограниченной части пространства повышается на столько, что возникающие ГМЭ обособляясь от окружающих, выделяется из них. Отсюда первоочередной задачей является определение границ ГМЭ и поиск тех приделов геоморфологической неоднородности которые, позволяют говорить о самостоятельном природном теле, отличном от окружающих тел. Под ГМЭ понимаются любые естественные комплексы горных пород и образующие ими формы рельефа, а так же сочетания самих геоморфологических элементов образующих более высокий уровень организации геосистем (геоморф) с чёткими или диффузными границами, отличающиеся от соседних по своим геоморфологическим признакам (высота, экспозиция, крутизна, уклон и т.д.). Элементарный ГМЭ - это минимальный объём геопространства, размеры которого достаточно большие, чтобы иметь полный спектр вариабельности соотношений анализируемых геоморфологических признаков. Элементарные ГМЭ и их сочетания являются устойчивыми (инвариантными) образованиями, выделяющиеся в структурной организации геоинформационного пространства создаваемой модели. Они представляют собой пространственно-временные ячейки, в пределах которых явления и события в их взаимосвязи и взаимообусловленности находятся под контролем самореализации более высокого иерархического уровня модели. В зависимости от уровня организации геоморфологического элемента и внутреннего строения, размеры его могут колебаться от нескольких метров до сотен километров. При построении экологической модели Крыма необходимо различать иерархическую серию последовательных уровней её организации, каждый из которых требует специфических методов и подходов исследования, контроля и управления. Организация здесь рассматривается и как структура, и как процесс, ведущий к созданию этой структуры. В понятии «организация» фиксируется два аспекта: структурная упорядоченность геоморфологических элементов (взаимосогласованность взаимодействия, более или менее дифференцированных и автономных ГМЭ, как частей одного уровня, обусловленная его строением) и эволюционная направленность (совокупность процессов ведущих к образованию взаимосвязей между уровнями системы). Процесс саморазвития взаимодействий в геоинформационном пространстве приводит к тому, что здесь одновременно формируется множество целостных экосистем: от самых мелких, неустойчивых, сиеминутных, возникающих и почти сразу исчезающих элементарных экосистем (биогеоконсорций) на самом «нижнем» уровне создаваемой модели – децигеоморф, до, квазистабильной открытой, сложноорганизованной системы в пределах полуострова - эксагеоморфы. В построении модели анализируются девять уровней её организации (приставки – экса-, пета-, тера-, и др. обозначают только относительную размерность, гео-земля, морфа-часть). Макро-уровни организации модели, её границы. Полуостров в целом мы рассматриваем, как высший уровень геоморфологической интеграции - эксагеоморфа. За горизонтальную границу концептуальной модели принимается граница Крымского полуострова расположенного между 44º23´ и 46º15´ с.ш., 32º30´ и 36º40´ в.д. от Гринвича в широтном поясе земного шара который лежит примерно на одинаковом расстоянии от экватора и Северного полюса. Общая площадь – 26 945 кв. км, или 0,02% территории суши Земли. Имеет форму неправильного четырехугольника с широким выступом – Тарханкутским полуостровом на северо- западе и длинным выступом Керченского полуострова – на востоке. Только на севере полуостров соединен с материком узким и низменным Перекопским перешейком. От него до самой южной точки Крыма – мыса Сарыч – 195 км. В широтном направлении от мыса Тарханкут до Керченского пролива – 325 км. К востоку от Перекопского перешейка простирается Сиваш – мелководный залив Азовского моря с большим количеством островов и сильно изрезанной береговой линией. Восточное побережье Крыма омывается Азовским морем и Керченским проливом. С юга и запада Крым окружают воды Черного моря. Фактически модельную территорию можно рассматривать как остров с чёткими пространственно- временными границами. Триединое геологическое строение полуострова, рельеф и географическое положение сформировали современный ландшафтный каркас Крыма. В его основании лежит сравнительно устойчивая Скифская платформа, глубина залегания которой возрастает в северо- западном и северном направлении. На её южном приподнятом крае расположены Предгорные гряды (Внешняя и Внутренняя) которые отделены от мегантиклинория Главной гряды Крымских гор, глубоким тектоническим разломом. В пределах Керченского полуострова происходит погружение заканчивающихся здесь складок горного Крыма и Скифской платформы в Индоло-Кубанский прогиб. Сбалансированность взаимодействий в такой системе осуществляется силами процессов становления и развития взаимодействий «внутри» системы и в таком случае формирование структуры географического пространства происходит путём саморазвития и самоорганизации. Здесь структура - это локализированный в определенных участках географического пространства процесс, имеющий определенную геометрическую форму и способный развиваться и трансформироваться в среде. В тоже время на структуру оказывают влияние и экзогенные процессы. Поэтому этот уровень организации полуострова во многом проявляется в его географическим положением, рельефе и геологическом строении. Вертикальные границы модели определяются нижней и верхней границами биогеосферы, в пределах которой сосредоточена основная масса живых организмов и происходит наиболее активное взаимодействие всех экологических компонентов. Географическое положение модели и её геоморфологическая организация являются матрицей, которая во многом определяет актуализацию экосистем полуострова. В выделении уровней организации модели используется бассейновый принцип ландшафтной топологии модели, где системообразующую роль сопряженных геоморф и их экосистем играет миграция химических элементов. Крымские горы делят полуостров на две, не равные по величине части: Северную петагеоморфу с её наиболее пониженной Северо-Крымской низменностью, Тарханкутской возвышенной равниной, Центрально_крымской равниной, Предгорной лесостепью, Главной горно-лугово-лесной грядой и Южную петагеоморфу с Крымским южнобережным субсредиземноморьем. Склоны, долины, водоемы как Северной так и Южной петагеоморф образуют единое целое, представленное парагенетической ассоциацией сопряженных элементарных ландшафтов и их экосистем, связанных между собой биогеохимической миграцией элементов. В пределах петогеоморф формируются каскадные ландшафтно- геохимические системы, целостность которых определяется однонаправленностью потоков вещества, энергии и информации от верхних гипсометрических уровней рельефа к побережью полуострова. На основе анализа геоморфологического строения и направленности латерального стока вещества (играющего значительную роль в миграции химических элементов), Северную (суббореальную) петагеоморфу можно разделить на две геоморфы: юго-западную Каламитскую терагеоморфу биогеохимический сток которой направлен в Каламитский залив и северо-восточную Каркинитско- Сивашскую терагеоморфу сток которой направлен в Каламитский залив Черного моря и Сивашский залив Азовского моря (Рис.2). В терагеоморфах происходит интеграция и объединение поверхностных и подземных стоков. Поверхностный водосбор как Западной, так и Восточной терогеоморф представляет собой систему различно ориентированных склонов, с которых вода стекает в направлении естественных уклонов, образуя гидрографические сети. Подземный водосбор – это части почвы и подстилающих пород, которая дренируется гидрографической сетью и с которой вода поступает в сеть подземным путем. Подземный и поверхностный водосборы, каждой терагеоморфы, представляют собой единые интегральные не замкнутые физико-биохимически активные системы. Граница между ними проходит по водоразделу и делит петагеоморфу на две функционально целостных терагеоморфы. Каждая из них представлена кластерами водосборных бассейнов объединенных общим направлением биогеохимического стоком и образующим следующий уровень организации – гигагеоморфы (Рис.3). Их можно рассматривать, как мощные транспортные геохимические системы, обеспечивающие перемещение вещества, информации и энергии в пространстве гигагеоморф. Последние в пределах полуострова представляют собой системы бассейнов объединенных общим водоразделом и ориентацией стока (Рис.3). Густота расчленения реками рельефа терагеоморф обуславливает разнообразие экосистем их микроклимата, почвенно- растительного покрова, животных и микроорганизмов. Друг от друга речные бассейны отделяются главными водоразделами – линиями пересечения между собой двух различных покатостей, от которых воды стекают в противоположных направлениях в разные речные системы, и боковые водоразделы, разделяющие притоки одной и той же реки с образованием мегагеоморф (Рис.4). Мегагеоморфы отражают пространство модели, в пределах которого формируются ландшафты и их экосистемы, объединенные общим направлением биогеохимического стока, структурой и характером их мегакомбинаций в гигагеоморфах. Бассейны отдельных рек представляют собой сложную динамическую геосистему – целостное, иерархически устроенное обособленное множество более простых элементов, выполняющих определенные функции и взаимодействующих друг с другом, состояние которых меняется во времени и пространстве. Размеры и форма мегагеоморф и их экосистем могут меняться в связи со смещением рек и перестройками их водосборного бассейна. Верховья всех Крымских рек, расположенных в горах, разветвляются на множество второстепенных притоков, имеющих свои водосборы, площадь которых соответствует величине и порядку притока, т. е. бассейн каждой реки состоит из ряда самостоятельных водосборов формирующих килогеоморфы модели (Рис.5). Мезо-уровни организации модели. При построении биогеоинформационной модели, именно водосборный бассейн отдельной реки или её притока использовался нами, как основная пространственная единица экосистемы, вследствие высокой определенности её границ и относительно замкнутых вещественных, энергетических и информационных потоков. Как геосистема бассейн имеет упорядоченную структуру, которая выражается в преобладающей направленности «стоков», выше названных потоков. Например, в бассейне реки Салгир можно выделить горную, низкогорную, предгорную и равнинную части, которые отвечают соответствующим классам биогеоценозов природных зон и высотных поясов. Кроме того, системность внутри бассейна дополняется закономерной сменой экосистем (в границах фаций) от внешней водораздельной границы бассейна, где формируются элювиальные экосистемы, к его наиболее активной аквальной зоне вокруг которой формируются супераквальные экосистемы. Ведущим фактором дифференциации геоморф здесь выступает организация ландшафта, его морфологические части или элементы которые и формируют биогеоценозы и их парцеллы. По мере детализации геоморф однородность выделяемых единиц повышается, а пределы колебаний экологических характеристик сужаются. Потоки вещества в геоморфах и их БГЦ как хорологических объектах, в значительной мере замыкаются, поэтому их протяженность во многом зависит от рельефа. Контуры БГЦ могут проходить по водоразделам, по границам геоморф иногда разного уровня организации. Но могут задаваться и другими факторами. Например, в равнинной части реки Салгир ведущим фактором являются: глубина залегания грунтовых вод, степень и форма их засоления (Рис.6). В прибрежной, более молодой, пониженной, недренированной геоморфе, с отметками менее 5-10 м н.у.м. грунтовые воды с сульфат-хлоридным засолением залегают на глубине 0,2-0,5 м. Здесь формируются в основном солончаковые и галлофитно-луговые БГЦ. С увеличением высоты поверхности над уровнем моря и понижением уровня грунтовых вод с хлорид-сульфатным засолением до 2,5-3 м в слабодренированных геоморфах преобладают степные полынно-типчаковые экосистемы. Здесь можно выделить солонцеватые, луговые, пустынно-степные и степные БГЦ. Фациальная дифференциация горных, предгорных и равнинных ландшафтов во многом определяют структурную мозаичность биогеопарцелл (БГП) слагающих биогеоценозы. БГП - это промежуточные по степени целостности биогеоценотические парцеллы с относительно замкнутым круговоротом вещества, своими особенностями циркуляции энергии и информации в границах фации. Они различаются по времени жизни, по размеру, видовому составу и т.д. Так в солончаковых БГЦ на современных морских отложениях Присивашья развивается два типа парцелл эугалофитный в типично-солончаковых и криногалофитный в лугово-солончаковых экосистемах. В первой доминируют консорции эдификаторами которых являются: солерос Европейский, сведа стелющаяся, солянка содоносная, петросим супративный, во второй: кермек Гмелина, каспийский и Мейера, прибрежница солончаковая, галимоне бородавчатая. Парцеллы, как и фации, которые оказывают влияние на их формирование, сопряжены друг с другом и образуют катены подурочищь – векторных каскадных систем генетически, динамически и территориально связанных однонаправленным потоком вещества. В зависимости от положения их в ландшафте выделяют элювиальные, ортоэлювиальные, трансэдювиальные, аккумулятивние и др. БГП. Микро-уровень организации модели. Структурной единицей биогеопарцелл является биогеоконсорция (БГК) или элементарная экосистема, с чёткими функциональными связями между компонентами, существующими больше времени, чем составляющие их особи, способная трансформировать и накапливать энергию, создавать органическое вещество из неорганического, осуществлять биохимический круговорот и накапливать информацию. Она создает свою собственную биокостную среду в пределах парцеллы, и образуют «нижний» уровень организации модели – децигеоморфы. Элементарные экосистемы хаотичны и виртуальны, они появляются и исчезают, но именно хаос на микроуровне организации модель обеспечивает устойчивость экосистем на высших уровнях организации [7]. Сегодня элементарную экосистему - биогеоконсорцию многие ещё рассматривают как абиотическую среду - «пустое пространство с вкраплениями в него частиц - особями» - консортами различных концентров, подобно модели атома Бора-Резерфорда. И в графическом изображении, действительно сходство есть. Но на консортивном уровне модели экосистемы, особи - консорты не существуют с определённостью в данном конкретном месте концентра, а скорее проявляют тенденцию к существованию в данной консорции на данном уровне концентра. В консорции внутриконсортивные состояния, не происходят с определённостью в определённое время определённым способом, а скорее «высказывают тенденцию случаться». Эти тенденции могут быть выражены как математическая вероятность с характерными волновыми свойствами. Волновую природу концентра не следует понимать буквально. Здесь под волнами подразумевается не трехмерные конфигурации, а математические абстракции или «волны вероятности» отражающие вероятность обнаружения консорта в данное время в данном месте. Особенно важное, значение для характеристики состояния консорции имеет волновая функция. При этом она обладает замечательным свойством: чем больше её значение в данной области пространства, тем выше вероятность того, что особь вида проявит здесь своё действие, т.е. что её существование будет обнаружено в каком-либо экологическом процессе. Таким образом, сама величина волновой функции выражает плотность вероятности нахождения особи вида в соответствующей области пространства консорции. Для уяснения экологического смысла волновой функции можно представить себе рисунок, который получен в результате наблюдения БГК в процессе её развития, где каждый раз отмечается местонахождения особей видов точками. Плотность размещения точек вокруг ядра (автотрофа) на рисунке была бы тем больше, чем чаще обнаруживается особь вида в соответствующей области пространства консорции или, иначе говоря, чем больше вероятность обнаружения особи в этой области. Плотность размещения точек пропорциональна значению волновой функции в соответствующем месте: чем больше величина волновой функции, тем гуще расположены точки. Плотность вероятности нахождения особей вида в малом объёме на консортивном уровне обратно пропорциональна вероятности нахождения вида в большом объёме биогеоценотического уровня организации экосистемы. Рисунок, о котором мы говорим, является фотографией в «снятом» виде, моментом в процессе развития консорции. В прошлом, а тем более в будущем консорция будет выглядеть совсем иначе. Поэтому рисунок правильнее рассматривать как схематическое изображение особей видов, «размазанных» по всему объёму децигеоморфы в виде так называемого консортивного поля: чем плотней, расположены точки в том или ином месте, тем больше здесь плотность консортивного поля. Иначе говоря, плотность консортивного поля пропорциональна волновой функции. При этом, однако, следует иметь в виду, что консортивное поле не имеет определённых, резко очерченных границ: даже на большом расстоянии от ядра консорции существует некоторая, хотя и очень малая вероятность обнаружения особей видов. Благодаря этому возникает «эффект перекрытия полей» консорций, который ведет к новому уровню организации экосистемы – биогеопарцеллярному. Объединяясь в целое, консорции не просто складываются, входят в неизменном, недеформированном виде. Интегрируясь, они определенным образом трансформируются, наслаиваются друг на друга, пересекаются, при этом какие-то их части объединяются. Как говорят физики, «имеет место перекрытие с дефектом энергии». Это означает, что «объединение приводит к экономии, к уменьшению "выжигания среды", к меньшему расходу вещественно-энергетических и информационных затрат и усилий». Фундаментальный принцип развития БГК как нелинейной системы - это периодическое чередование стадий эволюции и инволюции, развертывания и свертывания, взрыва активности, увеличения интенсивности процессов и их затухания, ослабления, схождения к центру, интеграции и расхождения, дезинтеграции, хотя бы частичного распада. Это говорит о том, что консорция не находится в стационарном (неизменном) состоянии, а имеет периодичное во времени поведение. Наши представления, таким образом, предполагает биогеоконсортивную модель, резко контрастирующую с классической моделью в зоологии (консорция Беклемишева), ботаники (консорция Раменского) или биогеоценологии (консорция Мазинга). На экологическом уровне мир материальных тел, распадается на сложную картину волн вероятности. Более того, анализ процесса наблюдения показал, что уже на этом экологическом уровне организмы, особи, биосистемы не имеют смысла как отдельные сущности, их можно понять только во взаимосвязи между подготовкой эксперимента и последующими измерениями. Поэтому, волны вероятности представляют собой, в конечном счете, не вероятности конкретных вещей, а вероятности взаимосвязей. БГК формирует все необходимые ей компоненты через их функции, которые она сама же и создает через противоречия, возникающие в ее целостном развитии. Она образуется на пересечении потоков вещества, энергии и информации - пронизывающих БГП и её способностью пережить их силу и не погибнуть. БГК нельзя редуцировать, к каким либо, фундаментальным сущностям вроде живых организмов (растения, насекомые, птицы и т.д.) или элементам окружающей их среды, любая экосистема должна восприниматься целостной в своей самодостаточности. Тогда она представляет бесконечную сеть взаимосвязанных событий. Ни одно из свойств какой - либо часть этой сети не является элементарным и фундаментальным, все они отражают свойства других её частей. Заключение Модель позволяет изучать топологию экосистемы, её непрерывность при которой переход от одного уровня к другому требует ступенчатых нарушений этой непрерывности. Нижний уровень экологической организации образован элементарными экосистемами конфигурация сопряженных связей, между которыми образуют парцеллярный уровень, взаимосвязь и взаимообусловленность между парцеллами образуют биогеоценозы, конфигурация сопряженных связей между которыми образует ландшафтные и бассейновые уровни экосистемы полуострова. Различные уровни организации экосистем значимо связаны с целым, они выполняют особые функции ради конечной цели, а не являются независимыми строительными блоками. Все уровни автономно - соподчинены. Консорция автономна к слагающим её организмам, но является соподчиненной к парцелле. Парцелла автономна к слагающим её консорциям, но её возникновение и развитие связано с биогеоценозом и т.д. Образ экосистемы, напоминает живой организм, органы, ткани и клетки которого имеют смысл только в отношении к целому. Создаваемая модель позволит установить разнообразие актуальных экосистем, потенциальная структура организации которых содержит все возможные варианты их стационарных состояний. Изучить механизм актуализации потенциальных экосистем в зависимости от различных воздействий на информационные потоки в актуальных экосистемах. Прогнозировать изменение экосистем при изменении природных и антропогенных воздействиях. Рационально использовать природный потенциал экосистем в хозяйственной деятельности человека и охране природы. Литература 1. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. – М.: Наука, 1989. – 258с. 2. Калесник С.В. Основы общего землеведения. – М.:Учпедиз, 1955. – 300с. 3. Пышкин В.Б., Рыбка Т.С Философия экологии: экосистема // Динамика научных исследований-2005: География и геология, Т.63, Днепропетровск: Наука и образование, 2005. – С.44-46. 4. Пышкин В.Б., Прыгунова И.Л. Современная экология: понятие целостности экосистемы // Материалы Научной конференции «Ломоносовские чтения». – Севастополь: НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика» 2010. – С.48-49. 5. Пышкин В.Б. Кризис экологического образования: кичэкология // Ecological education and ecological culture of the population: materials of the II international scientififi c conference on February 25-26, 2014. – Prague: Vědecko vydavatelske centrum «Sociosfera-CZ». – C.114-117. 6. Пышкин В.Б. Перспективы разработки биогеоинформационной модели наземных экосистем // Перспективные разработки науки и техники-Белгород: Руснаучкнига; Серия: География: Том 12. Днепропетровск: Наука и образование, 2004. – С.30-33. 7. Пышкин В.Б., Громенко В.М. Микроуровни организации биогеоин- формационной модели Крыма. – Перспективные разработки науки и техники- Белгород: Руснаучкнига; Серия: География: Том 12. Днепропетровск: Наука и образование, 2004. – С.28-30. 8. Реймерс Н.Ф. Экология (теории, законы, правила, принципы и гипотезы). – М.: Журнал «Россия молодая», 1994. – 367с. 9. Capra F. The Tao of Physics. – Berkeley: Shambhala Publ., 1975. 10. Jantsh E. The Self-Organizing Universe. – N.Y.: Pergamon Press, 1980. 1. Vernadsky V.I. Biosphere and Noosphere. Moscow: Nauka, 1989. (In Russian). 2. Kalesnik S.V. Basics of General Earth Science. Moscow: Uchpediz, 1955. (In Russian). 3. Pyshkin V.B., Rybka N.C. Philosophy of Ecology: The Ecosystem. Dinamica nauchnyh issledovaniy-2005: Geographia i geologiya (Dinamics of the Scientific Research-2005: Geography and Geology). Vol. 63. Dnepropetrovsk: Nauka i obrazovanie, 2005. pp. 44-46. (In Russian). 4. Pyshkin V.B., Prygunova I.L. Modern Ecology: The Concept of Ecosystem Integrity. Materialy nauchnoy conferencii “Lomonosovskie chteniya” (Proc. Of Sci. Conf. ”Lomonosovskie chteniya”), Sevastopol: NPC “ECOSI-Hydrophisika”, 2010. pp. 48-49. (In Russian). 5. Pyshkin V.B. Crisis of Environmental Education: Kitsch-Ecology. Ecological Education and Ecological Culture of the Population: Materials of the II Int. Sci. Conf. on February 25-26, 2014, Prague: Vědecko vydavatelske centrum «Sociosfera-CZ». pp. 114-117. 6. Pyshkin V.B. Perspectives of Development of Bio-geoinformation Model of Terrestrial Ecosystems. Perspectivnye razrabotki nauki i techniki (Perspective Developments of Science and Technology). Belgorod: Rosnauchkniga; Series: Geogrpahy. Vol 12. Dnepropetrovsk: Nauka i obrazovanie, 2004. pp. 30-33. (In Russian). 7. Pyshkin V.B., Gromenko V.M. Micro-levels of Organization of the Bio- geoinformation Modelof Crimea. Perspectivnye razrabotki nauki i techniki (Perspective Developments of Science and Technology). Belgorod: Rosnauchkniga; Series: Geogrpahy. Vol 12. Dnepropetrovsk: Nauka i obrazovanie, 2004. pp. 28-30. (In Russian). 8. Reimers N.F. Ecology (Theory, Laws, Rules, Principles, and Hypotheses). Moscow: “Rossiya molodaya” magazine. 1994 9. Capra F. The Tao of Physics. Berkeley: Shambhala Publ. 1975. 10. Jantsh E. The Self-Organizing Universe. N.Y.: Pergamon Press, 1980. |