Информация, управление и энергетическая характеристика экосистемы.

 

1. Эволюция представлений о биосфере. Термин «биосфера» обозначает сферу жизни и был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831-1914). Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами.

Автор термина Э. Зюсс в книге " Лик Земли" (1909 г.), не замечал обратного воздействия биосферы и определял ее как «совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверхности Земли».

Первым из биологов, который ясно указал на роль живых организмов в образовании земной коры, был Ж. Б. Ламарк (1744-1829). Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об обратном воздействии живых организмов и их систем на окружающие их физические, химические и геологические факторы все настойчивее проникала в сознание ученых и находила реализацию в их конкретных исследованиях.

Этому способствовали и перемены, произошедшие в общем подходе к изучению природы. Они все больше убеждались в том, что обособленное исследование явлений и процессов природы с позиций отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным. Поэтому на рубеже XIX-XX вв. в науку все шире проникают идеи холистического, или целостного, подхода к изучению природы, которые в наше время сформировались в системный метод.

Результаты такого подхода сказались при исследовании общих проблем воздействия биотических, или живых, факторов на абиотические, или физические, условия. Так, оказалось, например, что состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют ее структуру, организмы контролируют состав нашей атмосферы. Все примеры свидетельствуют о наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое вещество в значительной мере меняет лик нашей Земли.

Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны зависит, а с другой − сама воздействует на нее. Поэтому перед естествоиспытателями возникает задача − конкретно исследовать, каким образом и в какой мере, живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в ее коре. Такой подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Такую задачу как раз и поставил перед собой российский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863-1945).

2. Концепция Вернадского о биосфере.Центральным в этой концепции является понятие о живом веществе, которое В.И. Вернадский определяет как совокупность живых организмов. Кроме флоры-фауны. Вернадский включает сюда и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени; во-вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальное живое вещество.

Это воздействие сказывается, прежде всего, в создании многочисленных новых видов культурных растений и домашних животных. Такие виды не существовали раньше и без помощи человека либо погибают, либо превращаются в дикие породы. Поэтому Вернадский рассматривает геохимическую работу живого вещества в неразрывной связи животного, растительного царства и культурного человечества как работу единого целого.

По мнению В.И. Вернадского, в прошлом не придавали значения двум факторам, которые характеризуют живые тела и продукты их жизнедеятельности:

• открытию Пастера о преобладании оптически активных соединений, связанных с дисимметричностью пространственной структуры молекул, как отличительной особенности живых тел;

• явно недооценивался вклад живых организмов в энергетику биосферы и их влияние на неживые тела. Ведь в состав биосферы входит не только живое вещество, но и разнообразные неживые тела, которые В.И. Вернадский называет косными (атмосфера, горные породы, минералы и т. д.), а также и биокосные тела, образованные из разнородных живых и косных тел (почвы, поверхностные воды и т. п.). Хотя живое вещество по объему и весу составляет незначительную часть биосферы, но оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением облика нашей планеты.

Живое вещество является определяющим компонентом биосферы, можно утверждать, что оно может существовать и развиваться только в рамках целостной системы биосферы. Поэтому В.И. Вернадский считает, что живые организмы являются функцией биосферы и тесно материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей.

Основой существования биосферы и происходящих в ней биогеохимических процессов является астрономическое положение планеты и в первую очередь ее расстояние от Солнца и наклон земной оси к эклиптике. Это пространственное расположение Земли определяет в основном климат на планете, а последний в свою очередь − жизненные циклы всех организмов.

Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором всех геологических, химических и биологических процессов на планете. луча.

Решающее отличие живого вещества от косного заключается в следующем:

изменения и процессы в живом веществе происходят значительно быстрее, чем в косных телах. Поэтому для характеристики изменений в живом веществе используется понятие исторического, а в косных телах − геологического времени. Секунда геологического времени соответствует примерно ста тысячам лет; в ходе геологического времени возрастают мощь живого вещества и его воздействие на косное вещество биосферы.

Это воздействие, указывает В.И. Вернадский, проявляется, прежде всего «в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно»; только в живом веществе происходят качественные изменения организмов в ходе геологического времени. Процесс и механизмы этих изменений нашли объяснение в теории происхождения видов путем естественного отбора Чарлза Дарвина (1859 г.); живые организмы изменяются в зависимости от изменения окружающей среды, адаптируются к ней' и, согласно теории Дарвина, именно постепенное накопление таких изменений служит источником эволюции.

В.И. Вернадский высказывает предположение, что живое вещество, возможно, имеет и свой процесс эволюции, проявляющийся в изменении с ходом геологического времени, вне зависимости от изменения среды. Для подтверждения мысли он ссылается на непрерывный рост центральной нервной системы животных и ее значение в биосфере, а также на особую организованность самой биосферы. В упрощенной модели эту организованность можно выразить так, что ни одна из точек биосферы «не попадает в то же место, в туже точку биосферы, в какой когда-нибудь была раньше». В современных терминах это явление можно описать как обратимость изменений, которые присущи любому процессу эволюции и развития.

Непрерывный процесс эволюции, сопровождающийся появлением новых видов организмов, оказывает воздействие на всю биосферу в целом, в том числе и на приводные биокосные тела, например, почвы, наземные и подземные воды и т.д. Это подтверждается тем, что почвы и реки девона совсем другие, чем третичной и или нашей эпохи. Таким образом, эволюция видов постепенно распространяется и переходит на всю биосферу.

Поскольку эволюция и возникновение новых видов предполагают существование своего начала, постольку закономерно возникает вопрос: а есть ли такое начало у жизни? Если есть, то где его искать − на Земле или в Космосе? Может ли возникнуть живое из неживого?

Над этими вопросами задумывались многие религиозные деятели, представители искусства, философы и ученые. В.И. Вернадский подробно рассматривает наиболее интересные точки зрения, которые выдвигались, и приходит к выводу, что никакого убедительного ответа на эти вопросы пока нет. Сам он как ученый вначале придерживался эмпирического подхода к решению указанных вопросов, когда утверждал, что многочисленные попытки обнаружить в древних геологических слоях Земли следы присутствия каких-либо переходных форм жизни не увенчались успехом. Во всяком случае некоторые останки жизни были обнаружены даже докембрийских слоях, насчитывающих 600 миллионов лет. Эти отрицательные результаты, по мнению В.И. Вернадского, дают возможность высказать предположение, что жизнь как материя и энергия существует во Вселенной вечно и поэтому не имеет своего начала. Но такое предположение есть не больше, чем эмпирическое обобщение, основанное на том, что следы живого вещества до сих т. не обнаружены в земных слоях. Чтобы стать научной гипотезой, оно должно быть согласовано с другими результатами научного познания, в том числе и с концепциями естествознания и философии.

Предположения относительно абиогенного, или неорганического, происхождении жизни делались неоднократно еще в античную эпоху, например, Аристотелем. С возникновением экспериментального естествознания и появлением таких наук, как геология, палеонтология и биология, такая точка зрения подверглась критике как не обоснованная эмпирическими фактами.

Во второй половине XVII в. распространение получил принцип, провозглашенный известным флорентийским врачом и натуралистом Ф. Реди, что все живое возникает из живого. Утверждению этого принципа содействовали исследования знаменитого английского физиолога Уильяма Гарвея (1578-1657), который считал, что всякое животное происходит из яйца, хотя он и допускал возможность возникновения жизни абиогенным путем.

В дальнейшем, по мере проникновения физико-химических методов в биологические исследования снова и все настойчивее стали выдвигаться гипотезы об абиогенном происхождении жизни. Мы уже говорили о химической эволюции как предпосылке возникновения предбиотической, или предбиологической, стадии возникновения жизни. С указанными результатами не мог не считаться В.И. Вернадский, и поэтому его взгляды по этим вопросам не оставались неизменными но, опираясь на почву точно установленных фактов, он не допускал ни божественного вмешательства, ни земного происхождения жизни. Он перенес возникновение жизни за пределы Земли, а также допускал возможность ее появлении в биосфере при определенных условиях. Несмотря на некоторые противоречия, учение Вернадского о биосфере представляет собой новый крупный шаг в понимании не только живой природы, но и ее неразрывной связи с исторической деятельностью человечества.

3. Переход от биосферы к ноосфере.Превращение разума и труда человечества в геологическую силу планетного масштаба происходило в рамках биосферы, составной частью которой они являются.

В.И. Вернадский неизменно подчеркивал, какое огромное воздействие человечество оказывает на расширение жизни путем создания новых культурных видов растений и животных. Опираясь на его идеи о биогеохимической основе биосферы, французский математик и философ Эдуар Леруа (1870-1954) ввел в 1927 г. понятие ноосферы, или сферы разума, для характеристики современной геологической стадии развития биосферы. Его позицию разделял также крупнейший французский геолог и палеонтолог Пьер Тейяр де Шарден (1881-1955), впоследствии в своем труде «Феномен человека» определивший ноосферу как одну из стадий эволюции мира. Признавая, что эта стадия, как и сам человек, является результатом тысячелетней истории развития органического мира, он считал движущей силой эволюции целеустремленное сознание («ортогенез»).

В отличие от него В.И. Вернадский рассматривает возникновение сознания как закономерный результат эволюции биосферы, но, однажды возникнув, оно затем начинает оказывать все возрастающее влияние на биосферу благодаря трудовой деятельности человека. Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше.

Такие мысли высказывались учеными и до В.И. Вернадского. Например, в XVIII в. французский естествоиспытатель Ж. Бюффон высказал идею о царстве человека, которая в XIX в. была развита основателем современной геологии Жаном Луи Агассисом (1807-1873). Хотя эти идеи и опирались на признание все возрастающей роли человечества в изменении лика Земли, но не были связаны с принципом направленности эволюции живого вещества биосферы.

Этот принцип в качестве эмпирического обобщения выдвинул американский ученый Джеймс Дана (1813-1895), который еще до появления труда Ч. Дарвина впервые четко заявил, что эволюция живого вещества идет в определенном направлении. Д. Дана пришел к выводу, что на протяжении минимум двух млрд лет происходили усовершенствование и рост центральной нервной системы животных, начиная от ракообразных и кончая человеком. Этот процесс он назвал цефализацией, при которой достигнутый уровень организации нервной системы никогда не снижается. Хотя при этом возможны и остановки, и скачки, но направление эволюции не идет вспять.

Его последователь Ле Конт, основываясь на принципе направленности эволюции, назвал эру, связанную с появлением на Земле человека, психозойской. Ближе к нашему времени русский геолог Алексей Петрович Павлов (1854-1929), оценивая возросшую роль человечества как мощного геологического фактора, в последние годы жизни настойчиво говорил об антропогенной эре в эволюции биосферы. Подобных высказываний можно было бы привести много, но за немногими исключениями они ограничиваются лишь констатацией разрозненных фактов, не рассматривают их в системе и не дают им теоретического объяснения.

Концепция Вернадского впервые привела все известные эмпирические факты, данные и результаты в единую целостную систему знания, которая объясняет, какие факторы способствовали переходу от биосферы к ноосфере. Она основывается на признании решающей роли человеческой деятельности, труда и мысли в эволюции биосферы, а через последнюю и в изменении происходящих на Земле геологических процессов и лика Земли в целом.

В.И. Вернадский не ограничивается исследованием влияния трудовой, производственной деятельности на процессы, происходящие в биосфере и на земной поверхности. Хорошо сознавая, что труд представляет собой целесообразную деятельность, основанную на мысли и воле, он указывает, что ноосфера, или сфера разума, будет все больше и больше определять не только прогресс общества, но и эволюцию биосферы в целом, а через нее и процессы, на Земле. Недаром он рассматривает мысль как планетное явление.

Эволюционный процесс получает особое геологическое значение благодаря тому, что он создал новую геологическую силу − научную мысль социального человечества. Под влиянием научной мысли и человеческого труда биосфера переходит в новое состояние − в ноосферу.

Каким же образом человеческая деятельность влияет на процессы в биосфере, как она способствует ее эволюции? Почему именно эта деятельность придает эволюции биосферы направленный характер?

Биологическая эволюция присуща лишь живому веществу биосферы, т. е. различным видам растений и животных и, разумеется, человеку в той мере, в какой он развивался до возникновения цивилизации и превращения в Homo sapiens (человека разумного). В дальнейшем биологическая эволюция человека переходит в эволюцию социальную.

Эволюция живого вещества биосферы приводит к возникновению новых видов растений и животных, которые, как и остальные виды, неразрывно и непрерывно связаны с окружающей их средой прежде всего питанием и дыханием как наиболее характерными процессами обмена веществ. Такой обмен приводит к миграции, движению атомов от живого вещества к неживому, в особенности к биогенному, в котором живые элементы объединены с неживыми. Во время эволюции молекулы и атомы живого вещества не остаются неизменными. А все это во многом меняет характер взаимодействия живого вещества биосферы не только с ее неживой частью, но и с остальными сферами оболочки Земли.

В период перехода от биосферы к ноосфере на сцену выступает такой мощный геохимический фактор, как постоянно увеличивающееся количество зеленого живого вещества в биосфере, получаемого посредством расширения посевных площадей и интенсификации земледелия. В результате искусственного отбора новых сортов растений и пород животных значительно ускоряются процессы эволюции, быстрее возникают новые виды. А это в свою очередь в еще большей мере способствует ускорению процессов обмена между живым и косным веществом в биосфере.

По-видимому, постепенный переход к ноосфере начался еще сотни тысяч лет назад, когда человек овладел огнем и стал изготовлять первые, весьма несовершенные еще орудия производства и охоты. Благодаря этому он получил огромное преимущество перед животными, но с геологической точки зрения гораздо более важным был длительный процесс приручения диких стадных животных и создания новых сортов культурных растений. Как известно, именно этот процесс положил начало скотоводству и земледелию, которые исторически привели к первому наиболее значительному разделению общественного труда и систематическому обмену его продуктами между разными племенами.

В.И. Вернадский указывает: Человек, этим путем стал менять окружающий его мир и создавать для себя новую, не бывшую никогда на планете живую природу. Огромное значение этого проявилось в том, что он избавился от голода новым путем, лишь в слабой степени известным животным − сознательным, творческим обеспечением от голода и, следовательно, нашел возможность неограниченного проявления своего размножения.

Что же касается борьбы с животными, то человек одержал в ней победу по существу с изобретением огнестрельного оружия и поэтому теперь он должен предпринимать особые меры, чтобы не допустить истребления всех диких животных. Еще большие усилия необходимы для сохранения самой биосферы в связи с многократно возросшими техногенными нагрузками на нее. В связи с этим возникает общая для всего человечества глобальная проблема сохранения окружающей среды и прежде всего живой природы.

4. Современная концепция экологии, экологические системы и их структура.О проблемах экологии заговорили в 1970-е годы нашего века, когда почувствовали возрастающую угрозу техногенной цивилизации. Изменился и взгляд на предмет экологии. Экология долгое время оставалась чисто биологической дисциплиной. Сегодня вышла из узких рамок и стала междисциплинарным направлением исследований процессов, связанных с взаимодействием биосферы и общества. Как указывает Ю. Одум, сейчас экология оформилась в принципиально новую интегрированную дисциплину, связывающую физические и биологические явления и образующую мост между естественными и общественными науками.

О связи экологии с общественными и гуманитарными науками свидетельствует появление таких ее разделов, как социальная, медицинская, историческая, этическая экологии.

К экологическим системам обычно относят все живые системы вместе с окружающей их средой, начиная от отдельной популяции и кончая биосферой. Все они являются открытыми системами, которые обмениваются с окружающей природной средой веществом, энергией или информацией. Наименьшей единицей экологии является совокупность организмов определенного вида, которые взаимодействуют между собой внутри вида, а вид как целостная система − с окружающей средой. Даже отдельные популяции в чистом виде выделить трудно, поскольку в естественной природе они объединяются в более обширные сообщества систем и взаимодействуют с неживыми факторами среды.

На популяционном уровне, различают сообщества, или экологические системы, как биоценозы и биогеоценозы, в которых сообщества живых организмов исследуются в связи с неорганическими условиями существования (почвой, микроклиматом, гидрологией местности и т.п.). Еще более крупным системным объединением в экологии считается биом, который включает в свой состав живые системы и неживые факторы на обширной территории, например, лиственные породы деревьев на Среднерусской возвышенности. Наконец, биосфера охватывает живое и неживое вещество на планеты. И хотя она в известных пределах функционирует автономно, но в конечном итоге может существовать и развиваться только за счет энергии Солнца и является открытой системой, которую в отличие от других систем называют экосферой.

В экологии наибольшее значение для изучения структуры ее систем приобретает анализ тех пищевых, связей, которые соединяют различные популяции друг с другом. Теперь обратимся к более подробной классификации, чтобы выяснить механизм функционирования трофических связей.

Как и раньше, будем различать автотрофные и гетеротрофные организмы соответственно тому, питаются ли они самостоятельно за счет преобразования неорганической энергии, или же поедают другие живые организмы. Поэтому в экосистеме можно выделить два уровня: на верхнем, автотрофном уровне, который называют также зеленым поясом, мы встречаемся с растениями, содержащими хлорофилл и перерабатывающими солнечную энергию и простые неорганические вещества в сложные органические соединения; на нижнем, гетеротрофном уровне происходит преобразование и разложение этих органических соединений в простые.

Таким образом, в механизме трофических связей можно выделить следующие элементы:

• продуценты автотрофных организмов, главным образом зеленых растений, которые могут производить пищу из простых неорганических веществ;

• фаготрофы, к которым принадлежат гетеротрофные животные, питающиеся другими живыми организмами, растительными и животными;

• сапротрофы, которые получают энергию путем разложения мертвых тканей или растворенного органического вещества.

В связи с этим гетеротрофные организмы разделяют на биофагов, поедающих живые организмы, и сапрофагов, питающихся мертвыми тканями.

Одна из характерных черт всех экосистем состоит в том, что в них происходит постоянное взаимодействие автотрофных и гетеротрофных подсистем организмов. Такое взаимодействие приводит к круговороту вещества в природе, несмотря на то, что иногда организмы разделены в пространстве. Автотрофные процессы наиболее интенсивно протекают на зеленом ярусе системы, где растениям доступен солнечный свет, в то время как на нижнем ярусе усиленно протекают гетеротрофные процессы. Аналогичный разрыв между этими процессами может происходить и во времени, причем значительный разрыв между производством органического вещества автотрофами и гетеротрофами приводит к его накоплению. Именно благодаря такому временному разрыву на нашей планете образовались огромные запасы ископаемого топлива.

Взаимодействия между частями и целым в экологических системах могут исследоваться двумя путями. С одной стороны, изучением свойств частей и экстраполяцией их на свойства целого. Такое сведение свойств целого к сумме свойств его частей представляет собой типичный случай редукционизма и потому сталкивается с трудностями. С другой стороны, признание специфичности свойств целого, несводимости их к свойствам частей открывает значительные перспективы для исследования и получения эффективных новых результатов. Обычно в конкретных исследованиях системный метод изучения становится совершенно необходимым в тех случаях, когда части целого настолько тесно связаны между собой, что их трудно отделить друг от друга и посредством такого приема получить знание о свойствах системы в целом. В противоположность этому суммативный метод используется тогда, когда отдельные части совокупности могут изучаться относительно независимо друг от друга и поэтому свойства целого можно выявить путем суммирования свойств частей.

Отсюда каждый из методов следует применять в зависимости от конкретных условий исследования, а следовательно, они предполагают и дополняют друг друга. Системный подход нередко используется при построении теоретических моделей, когда необходимо выяснить взаимодействие различных частей экосистемы. Моделирование представляет собой абстрактное выражение реальных процессов, происходящих в природе. Оно может осуществляться в словесной форме с помощью соответствующих понятий и величин, характеризующих поведение и развитие экосистем. Нередко для большей ясности и наглядности в этих же целях используются графические модели. Важной целью моделирования является предсказание поведения системы в разных условиях и в разные периоды времени, поэтому в экологии стали прибегать к построению математических моделей. В том числе и на основе компьюторных технологий.

5. Взаимодействие экосистемы и окружающей среды.В биологических исследованиях, особенно в теории эволюции, делается упор на изучение воздействия окружающей среды на живые организмы и их системы. Под таким углом зрения рассматривается действие различных факторов на их эволюцию. Однако живые системы не являются пассивными в этом взаимодействии, в свою очередь они оказывают воздействие на окружающую их среду.

Такое воздействие можно проследить на примере больших экосистем. На такие факты опирается гипотеза Геи (др. гр. «Гея − земля»), выдвинутая в 1970-е гг. физиком и изобретателем Джеймсом Лавлоком и микробиологом Линн Маргулис. Она предлагает иной подход, к причинам и факторам становления жизни на планете. Если традиционно допускают, что жизнь на Земле появилась после возникновения атмосферы со значительным содержанием кислорода, то, согласно гипотезе Геи, образование кислорода и атмосферы обязано воздействию простейших организмов, которые в анаэробных (бескислородных), условиях стали выделять кислород. Свое предположение авторы гипотезы подтверждают ссылкой на то, что на близких к Земле планетах (Марс, Венера) атмосфера состоит соответственно на 95 и 98% из углекислого газа, кислорода Марс содержит 0, 13%, а на Венере замечены лишь его следы. Примерно такая же картина наблюдалась бы на безжизненной Земле. Конечно, гипотеза Геи нуждается в дальнейшем обосновании, но опирается она на важную и признаваемую многими идею, что жизнь обеспечивает условия для своего дальнейшего существования и развития. Эта идея не является умозаключением, а подтверждается фактами истории развития органического мира.

Факты также свидетельствуют, экосистема не только испытывает воздействие со стороны окружающей среды, но и оказывает обратное действие на нее и соответствующим образом ее формирует. Поскольку экосистема − система открытая, она не может не влиять на него. Только постоянное и непрерывное взаимодействие со средой поддерживает жизненные процессы в любой экосистеме. В результате такого взаимодействия осуществляется постоянный обмен энергией и веществом между экосистемой и средой, что проявляется, в усвоении абиотических, или неорганических, факторов среды (солнечная энергия, вода, минеральные вещества и т. п.), и биотических факторов посредством тех трофических связей, которые существуют между разными системами. Функционирование и эволюция экосистем зависят не только от круговорота вещества и энергии, существующего в природе. Чтобы выжить, а тем более развиваться, экосистемы должны соответствующим образом регулировать свою деятельность и управляться, а это требует установления информационных связей между различными подсистемами и элементами системы.

6. Информация, управление и энергетическая характеристика экосистемы. Наряду с потоками энергии и круговоротом вещества экосистемы связаны также информационными сетями. Управление и регулирование в них осуществляется с помощью физико-химических элементов. Такие управляющие системы по функции и назначению можно рассматривать как кибернетические. Однако в отличие от искусственных систем, в природных экосистемах элементы управления рассредоточены внутри самой системы и поэтому процесс регулирования и управления в них происходит не из внешнего органа управления, как в технических кибернетических системах.

Согласно кибернетическим принципам, всякий процесс управления связан с передачей и преобразованием информации. Для устойчивого динамического функционирования системы необходимо, наличие прямых сигналов (от управляющего к исполнительному устройству) и, обратных сигналов (информируют управляющее устройство об исполнении команд). Получив сигналы, управляющее устройство отдает команду о корректировке системы, если ее положение отклоняется от заданного или установленного. Именно таким способом осуществляется автоматическое регулирование не только в кибернетических системах, но и в живых организмах. В физиологии этот способ поддержания динамического равновесия был сформулирован американским физиологом Уолтером Кенноном (1871-1945) в виде принципа гомеостаза, согласно которому все важнейшие параметры организма (температура тела, частота пульса и дыхания, состав крови и кровяное давление и др.) поддерживаются на постоянном уровне благодаря обратным сигналам, поступающим из органов в головной мозг.

Кибернетика обобщила это положение в виде принципа обратной связи. Принцип объясняет лишь процесс достижения и сохранения динамического равновесия в любой системе, но для того чтобы понять, как происходят эволюция и развитие систем, необходимо признать возникновение изменений в состоянии и структуре систем. А для этого следует ввести принцип положительной обратной связи, согласно которому воздействия на систему накапливаясь, приводят к разрушению прежних связей между частями и возникновению новой структуры.

В экосистемах живой природы действие этих принципов приобретает более сложный характер, поскольку, регулирующие центры в них диффузны, или распределены внутри всей системы, а наличие избыточности, когда одна и та же функция выполняется несколькими компонентами, обеспечивает необходимую стабильность системы. Эта стабильность зависит от множества условий, но определяющие среди них − степень сопротивления внешней среды и эффективность работы управляющих механизмов самой системы.

Для конкретной характеристики стабильности экосистем обычно вводят понятие резистентной устойчивости, или способность системы сопротивляться внешним нагрузкам и оставаться при этом устойчивой. Понятие упругой устойчивости характеризует способность системы быстро восстанавливать свою устойчивость. При благоприятных условиях внешней среды экосистемы обычно повышают свою сопротивляемость усложнением внутренней структуры. Внезапные и случайные изменения внешней среды (например штормы) могут резко снизить устойчивость экосистемы и даже разрушить ее.

Таким образом, тесная взаимосвязь и взаимодействие между живыми организмами и окружающей средой представляют собой характерную особенность всех экосистем. Хотя отдельный организм, будучи открытой системой, также взаимодействует с окружением, тем не менее взаимодействие экосистемы со средой имеет более эффективный и устойчивый характер.

Эта особенность проявляется в достижении большей стабильности функционирования и развития экосистем в сравнении с отдельными организмами как результат установления информационных связей между отдельными организмами в рамках системы, возникновения иерархических отношений между отдельными ее подсистемами, которые приводят к усложнению ее структуры.

В связи с этим следует подчеркнуть, что любая экосистема, начиная от популяции и кончая экосферой, представляют собой надорганизменный уровень организации живого в природе, качественно отличающийся от отдельного организма. Именно в результате объединения отдельных организмов в рамках целого, их взаимодействия друг с другом экосистема приобретает новые, системные свойства, которые отсутствуют у отдельных организмов. Соответственно этому меняются и различные отношения и связи экосистемы с окружающей средой. Наиболее важными и по существу решающими являются энергетические связи.

Если проследить процессы превращения и получения энергии в экосистемах, то нельзя не придти к тому выводу, который сделал Майер, утверждавший, что жизнь есть создание солнечного луча. Действительно, лучистая энергия Солнца посредством фотохимического синтеза сначала преобразуется зелеными растениями в органические соединения, которые впоследствии служат пищей для растительноядных животных, а последние в свою очередь − пищей для других животных. Задолго до этого органическое вещество, заготовленное на протяжении тысячелетий растениями, как и сами растения, подверглись химическим превращениям и образовали ископаемое топливо, которое до сих пор служит важнейшим источником энергии для общества.

В экосистемах происходит постоянное преобразование рассеянной в пространстве солнечной энергии в более концентрированные ее формы сначала автотрофными растениями, а затем гетеротрофными животными и человеком. При этом на каждой стадии превращения энергии происходит также ее диссипация (рассеяние), в окружающее пространство. Для характеристики этих процессов нам необходимо привлечь законы термодинамики, их необходимо конкретизировать применительно к экосистемам.

Закон сохранения энергии полностью применим и к этим системам, ибо никогда не наблюдались случаи создания энергии из ничего. Энергия может лишь превращаться из одной формы в другую, но она никогда никуда не исчезает.

Второй закон термодинамики, который в физике обычно формулируют с помощью понятия энтропии, в экологии предпочитают выражать посредством утверждения о преобразовании концентрированной энергии в рассеянную.

Процесс концентрации рассеянной солнечной энергии происходит в живых системах за длительный период времени. Полученная концентрированная энергия может быть в дальнейшем использована в экосистемах в виде пищи, а в технике − как ископаемое топливо. В обоих случаях будет происходить преобразование концентрированной энергии в рассеянную.

Какую энергию можно считать концентрированной? С экологической точки зрения, энергия по способу получения будет тем больше концентрированной, чем дальше отстоит источник ее получения, например пиша, от начала превращения рассеянной солнечной энергии, т.е. от автотрофных организмов, а именно зеленых растений и микроорганизмов. В физических терминах концентрированную энергию можно определить как обладающую низкой степенью энтропии, т.е. характеризующуюся меньшей степенью беспорядка. В результате концентрации энергии происходит выведение беспорядка из системы во внешнюю среду. Поэтому если беспорядок в системе уменьшается, то во внешней среде он увеличивается.

Рассеяние энергии сопровождается возрастанием беспорядка в системе. Поэтому если система останется закрытой, то она окажется полностью дезорганизованной, т.е. придет в состояние максимального беспорядка, соответствующего установлению теплового равновесия в системе.

Таким образом, с энергетической точки зрения системы могут описываться не только количественно, но и качественно, причем высококачественными будут считаться наиболее концентрированные формы энергии, которые могут обладать более высоким рабочим потенциалом, т.е. возможностью произвести соответствующую работу. Так, например, ископаемое топливо обладает большим рабочим потенциалом, чем рассеянная солнечная энергия. Животная пища является более качественной, чем растительная. Опосредованно качество используемой энергии определяется химической структурой ее источника.

Все приведенные выше рассуждения показывают, что при энергетическом подходе зад<

⇐ Предыдущая1234

Поделиться: