3. Иерархический, сетевой и реляционный подходы к анализу систем
На самых верхних и самых нижних этажах экологической иерархии иерархический принцип классификации работает неплохо. Традиционно выделяемые в экологии группы продуцентов, редуцентов и консументов (экоцарства) достаточно легко и естественно делятся на экотипы.
С другой стороны, выделив эковиды как совокупности экологически однородных особей, занимающих элементарные фундаментальные ниши, мы можем достаточно уверенно объединить их в экороды. Ведь для выполнения одной и той же роли в реальных экосистемах имеется, как правило, несколько эковидов, различающихся оптимальными условиями своего существования.
Но на уровне экосемейств, экоотрядов и экоклассов возможно построение нескольких иерархий, в основе которых лежат различные экологические признаки. Поэтому внутри отдельных экотипов возможно построение самых разных иерархий, сам иерархический подход на этих уровнях теряет свою руководящую роль, уступая место подходу сетевому. Если иерархическая структура древовидна, то в сетевых структурах любой элемент может быть в принципе связан с любым другим элементом.
Однако, классификацию, построенную по сетевому принципу, можно эффективно применять на практике лишь с помощью компьютерной техники. Реляционный подход позволяет свести всю переработку информации, заложенной в классификационной схеме, к манипуляциям с матрицами. Каждая двумерная таблица, называемая реляцией или отношением, наглядно представляет наложение любых двух иерархий, входящих в сетевую структуру, на определенном их уровне, что позволяет последовательно просматривать все возможные варианты.
4. Основные принципы системологии
Принцип эмерджентности. По мере объединения компонентов, или подмножеств, в более крупные функциональные единицы, у этих новых единиц возникают новые свойства, отсутствовавшие на предыдущем уровне. Эмерджентные свойства экологической единицы нельзя предсказать, исходя из «свойств компонентов, составляющих эту единицу. При каждом объединении подмножеств в новое множество возникает по меньшей мере одно новое свойство.
Принцип иерархической организации (или принцип интегративных уровней Одума): позволяет соподчинить друг другу как естественные, так и искусственные системы.
Принцип несовместимости Л. Заде: сложность системы и точность, с которой ее можно анализировать, связаны обратной зависимостью.
Принцип контринтуитивного поведения Дж. Форрестера: дать удовлетворительный прогноз поведения сложной системы на достаточно большом промежутке времени, опираясь только на собственный опыт и интуицию практически невозможно.
Принцип множественности моделей В.В. Налимова: для объяснения и предсказания структуры и (или) поведения сложной системы возможно построение нескольких моделей, имеющих одинаковое право на существование.
Принцип осуществимости Б.С. Флейшмана: мы не надеемся на везение и у нас мало времени. Системология рассматривает только те модели, для которых алгоритм осуществим, т.е. решение может быть найдено с заданной вероятностью р0 время to.
Принцип Формирования законов: законы системологии носят дедуктивный характер и никакие реальные явления не могут опровергнуть или подтвердить их справедливость.
Принцип рекуррентного объяснения свойства систем данного уровня иерархической организации мира объясняются, исходя из постулируемых свойств элементов этой системы и связей между ними.
Принцип минимаксного построения моделей: теория должна состоять из простых моделей (min) систем нарастающей сложности (max).
? Вопросы к семинару ?
1) Что такое «система»? Что такое «сложная система»?
2) Иерархия уровней организации природных систем.
3) Иерархический, сетевой и реляционный подходы к анализу систем, их особенности и область применения.
4) Основные принципы системологии: принцип эмерджентности, принцип иерархической организации, принцип несовместимости, принцип контринтуитивного поведения, принцип множественности моделей, принцип осуществимости, принцип формирования законов, принцип рекуррентного объяснения, принцип минимаксного построения моделей и др.
Тема 2. Элементы системного анализа в экологии и охране окружающей природной среды
Концепция экосистем по Ю. Одуму является главенствующей в современной экологии. Любая биосистема, включающая все совместно функционирующие организмы на данном участке и взаимодействующая с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот веществ между живой в неживой частями, представляет собой экосистему. Экосистема — основная функциональная единица в экологии. 1. Структура экосистемы
С точки зрения трофической структуры (от греч. trophe — питание) экосистему можно разделить на два яруса: 1) верхний автотрофный (самостоятельно питающийся) ярус, или «зеленый пояс», включающий растения или их части, содержащие хлорофилл, где преобладают фиксация энергии света, использование простых неорганических соединений и накопление сложных органических соединений, и 2) нижний гетеротрофный (питаемый другими) ярус, или «коричневый пояс» почв и осадков, разлагающихся веществ, корней и т. д., в котором преобладают использование, трансформация и разложение сложных соединений. С биологической точки зрения в составе экосистемы удобно выделять следующие компоненты: 1) неорганические вещества (С, N, С02, Н20 и др.), включающиеся в круговороты; 2) органические соединения (белки, углеводы, липиды, гумусовые вещества и т. д.), связывающие биотическую и абиотическую части; 3) воздушную, водную и субстратную среду, включающую климатический режим и другие физические факторы; 4) продуцентов, автотрофных организмов, в основном зеленые растения, которые могут производить пищу из простых неорганических веществ; 5) макроконсументов, или фаготрофов (от греч. phagos— пожиратель),— гетеротрофных организмов, в основном животных, питающихся другими организмами или частицами органического вещества; 6) микроконсументов, сапро-трофов (от греч. sapros — гнилой), деструкторов, или осмотрофов (от греч. osmos— толчок, давление),— гетеротрофных организмов, в основном бактерий и грибов, получающих энергию либо путем разложения мертвых тканей, либо путем поглощения растворенного органического вещества, выделяющегося самопроизвольно или извлеченного сапротрофами из растений и других организмов.
Для функционирования экосистемы и поддержания ее структуры необходимо взаимодействие трех основных компонентов, а именно сообщества, потока энергии и
круговорота веществ.
2. Гипотеза однонаправленности потока энергии
ГИПОТЕЗА ОДНОНАПРАВЛЕННОСТИ ПОТОКА ЭНЕРГИИ - представление о потоке энергии через продуценты к консументам и редуцентам с падением величины потока на каждом трофическом уровне (в результате процессов жизнедеятельности). Часть поступающей солнечной энергии преобразуется сообществом и переходит на качественно более высокую ступень, трансформируясь в органическое вещество, представляющее собой более концентрированную форму энергии, чем солнечный свет, но большая часть энергии деградирует, проходит через систему и покидает ее в виде низкокачественной тепловой энергии (тепловой сток).
Материя циркулирует в системе, а энергия — нет. Живые замкнутые термодинамические системы невозможны. Все экосистемы, даже самая крупная — биосфера, являются открытыми системами: они должны получать и отдавать энергию. Поэтому в концептуально законченную экосистему входит среда на входе и среда на выходе и система, т. е. Экосистема =IE+S+OE.
? Вопросы к семинару ?
1) Экосистема и биогеоценоз. Основные сходства и различия этих понятий.
2) Основные виды и формы представления структур экосистем.
3) Гипотеза однонаправленности потока энергии.
Тема 3. Экология биосферы. Вещественные, энергетические и информационные процессы в экосистемах
Связь компонентов экосистемы осуществляется через три качественно разных группы процессов - преобразование и перемещение вещества, расходование энергии и ее накопление в связанной форме. Упорядочение этих процессов может рассматриваться как передача, накопление и перекодирование информации.
1. Типы земного вещества
В.И. Вернадский (1926) выделил 7 типов вещества биосферы: живое вещество, биогенное вещество (каустобиолиты, известняки и т.д.), косное вещество (образуется процессами, в которых живые организмы не участвуют), биокосное вещество (создается одновременно живыми организмами и процессами неживой природы), радиоактивное вещество, рассеянные атомы и вещество космического происхождения.
Центральное звено в концепции В.И. Вернадского о биосфере - представление о живом веществе. Живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей. Количество энергии, заключенное в живом веществе равно 4,191021-4,19-1022 Дж (1018-1019 ккал). Значительная часть ее идет на образование в пределах биосферы новых минералов, вне биосферы неизвестных (граниты), а часть -захоранивается в виде самого органического вещества (залежи каустобиолитов, нефти, газа). То есть при участии живого вещества лучистая энергия Солнца медленно проникает в глубь планеты. Благодаря деятельности живых организмов образуются кора выветривания и почва, формируется определенный химический состав подземных и поверхностных вод, поддерживается баланс газов в атмосфере.