Экосистемы. Концепция экосистемы

В основе экологии лежит концепция экосистемы. Экосистема - основная функциональная единица в экологии. Существует много разных определений этого понятия, но в основе его лежит по сути одно и то же содержание. Согласно представлениям Ю. Одума, живые организмы и их неживое окружение, неразделимо связанные друг с другом, постоянно взаимодействующие и совместно функционирующие на данном участке таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот веществ между живой и неживой частями, представляют собой экологическую систему - экосистему.

Экосистемой не является любая часть жизни, взаимодействующая с окружающей средой. Экосистема - сообщество живых организмов и среда их обитания, которые функционируют совместно, т. е. обмен вещества и энергии происходит в них во взаимной связи.

Термин "экосистема" впервые был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тэнсли, хотя представления об экосистеме сформировались очень давно и связаны с концепцией единства организма и среды. Понятия "биоценоза" и "геобиоценоза" как целостных функциональных образований встречаются в трудах немецкого математика XIX века К. Мебиуса; позднее - русских ученых: основателя научного почвоведения В. В. Докучаева, создателя учения о лесе Г. Ф. Морозова, эколога В. Н. Сукачева.

К. началу XX века биологи стали развивать идею о том, что в природе действуют одни и те же закономерности функционирования независимо от того, какая среда рассматривается: пресноводная, морская или наземная, и пытались использовать для анализа этих закономерностей холисти-ческий подход, т. е. исходили из принципа целостности природных образований. Новое направление, которое можно назвать экологией экосистем, возникло и развивалось в связи с разработкой общей теории систем и применением системного анализа. Основоположниками этого направления считаются Дж. Е. Хатчинсон, Р. Маргалеф, К. Уатт, В. Пэттен, Г. Одум.

Что такое система? Понятие системы - одно из самых общих. Системой можно назвать совокупность элементов, определенным образом связанных и взаимодействующих между собой, т. е. любой объект, реальный или мыслимый, целостные свойства которого могут быть представлены как результат взаимодействия образующих его частей, можно считать системой.

Части системы называют элементами системы. Элементы системы могут быть физическими, химическими, биологическими или смешанными.

Если элементы, образующие некоторую систему Y, обозначить символами х₁, х₂...х_n, где п - число элементов, то множество Х= {х₁, х₂...х_n}, состоящее из всех внутренних элементов, можно назвать составом системы Y.

Элементы х₁, х₂...х_nсвязаны между собой. Связи и отношения между элементами системы называются системообразующими, так как они превращают набор элементов в целостную систему. Кроме того что эти элементы связаны между собой, они испытывают воздействие со стороны внешних относительно системы Y объектов, а также сами могут оказывать на них влияние. Например, особи популяции взаимодействуют не только между собой, но и с особями других популяций, а также с метеорологическими, гидрологическими и другими факторами. Это значит, что каждая система не только испытывает воздействие множества внешних по отношению к ней систем (S₁, S₂...S_k), но и сама оказывает на них воздействие. При изучении систем, избрав определенную меру интенсивности воздействия, можно установить конечное число внешних систем S₁, S₂...S_k , находящихся во взаимодействии с данной системой.

Множество V, состоящее из всех внешних систем, находящихся в существенной связи с данной системой Y, можно назвать непосредственной окружающей средой системыY и обозначить V={S₁, S₂...S_k}.

Множество связей элементов системы между собой, а также элементов системы с внешней средой называется структурой системы Y : S = {s ₁...s _n}, где n- число всех рассматриваемых связей, образующих структуру системы Y. С течением времени внешняя среда, состав и структура могут измениться, что можно записать следующим образом:

Функционирование системы Y - закон, по которому в зависимости от внешних факторов V(t) происходит изменение во времени ее внутренних элементов X(t) и структуры S(t).

На основании сказанного можно дать следующее определение: системой Y(t), функционирующей в окружающей среде V(t) = {S₁(t)...S_k(t)}, называется объект Y(t)= Y(V(t), x(t), S(t), F), образованный элементами множеств х(t)={x₁(t)...x_n(t)}, которые связаны между собой и с окружающей средой определенными связями. Совокупность связей образует структуру S(t) = {s₁(t)...s_n(t)}. Состав и структура изменяются во времени.

Системный подход к изучению экосистем заключается в определении образующих ее составных частей и взаимодействия с ними объектов окружающей среды, в установлении структуры экосистемы и нахождении функции (закона функционирования экосистемы (F)), определяющей характер изменения компонентов экосистемы и связей между ними под действием внешних объектов.

В современной экологии для анализа экосистем используют три группы методов исследований - полевые наблюдения; эксперименты в поле и лаборатории; моделирование.

Структуру системы определяет способ взаимодействия элементов, и, что очень важно, это взаимодействие приводит к возникновению новых свойств системы, ее новых целостных характеристик.

Отличительной чертой любой системы является наличие у нее входа и выхода, причем определенное изменение входной величины влечет за собой некоторое изменение и величины выходной.

Зависимость выходной величины от входной определяется законом поведения системы. В идеальном случае этот закон может быть выражен математическим уравнением, имеющим аналитическое решение. В такое уравнение входит некоторое число постоянных или переменных параметров, характеризующих определенные свойства экосистемы.

Одно из свойств системы - иерархическая соподчиненность элементов. Так, элементарной единицей в экологии считают особь популяции, совокупность особей образует элементарную подсистему - популяцию, а совокупность популяций, выполняющих сходную функциональную роль в экосистеме, образует следующую подсистему - ассоциацию, или сообщество. В соответствии с этими элементами различают экологию популяций, экологию сообществ, экологию биоценозов. Отсюда следует, что для понимания целостных свойств экосистем важно изучение связей между образующими ее элементами, определяющих функционирование экосистемы как единого целого. Таким образом, главным критерием принадлежности к современной экологии является исследование надорганизменно-го уровня, имеющее целью найти место исследуемого явления в экосистеме. Необходимо подчеркнуть, что именно экосистема, а не сообщество, является объектом экологии.

Любая экосистема является открытой системой, т. е. она должна получать и отдавать энергию. Пределы изменений на входе и на выходе сильно варьируют и зависят от многих переменных, например, от размеров системы (чем она больше, тем меньше зависит от внешних частей), интенсивности обмена (чем он интенсивнее, тем больше приток и отток), сбалансированности автотрофных и гетеротрофных процессов (чем больше нарушено равновесие, тем больше должен быть приток извне для его восстановления), стадии и степени развития системы (молодые системы от личаются от зрелых). Так, Например, для обширной, поросшей лесом горной местности перепад между средой на входе и средой на выходе значительно меньше, чем для небольшого ручья.

Процессы, протекающие в экосистемах, являются общими для весьма различных организмов - от бактерий до млекопитающих. Внешне разнородные признаки и свойства сообществ, присущие экосистемам разных типов, можно объединить в весьма однородные функции и связи между элементами. Все особи сообщества, будучи связаны с окружающей средой функциональной связью, извлекают из нее материальные вещества и обогащают среду продуктами жизнедеятельности.

Закономерные сочетания экосистем в пределах определенной территории или акватории, характерной в том или ином отношении (например, геоморфологическом на суше или гидрологическом в водной среде), образуют систему более высокого уровня, чем экосистема - ландшафт.