Повна версія

Головна arrow Екологія arrow Теорія систем в екології

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

Складність екологічних систем

Складними називають системи, для яких характерні унікальність та неможливість чи небажаність натурних експериментів над об'єктами як джерела інформації під час моделювання та прийняття рішень.

При конкретних розробленнях термін "складна система" асоціюється з об'єктом, що складається із множини ієрархічно побудованих частин, які знаходяться у тісній взаємодії та становлять єдине ціле.

Для вивчення складних систем пропонується така схема: об'єкт (уявою або думкою) поділяється на порівняно однорідні взаємодіючі частини (тобто більш низького рівня), потім дається математичний опис цих частин. Далі за допомогою експериментів, знань та досвіду спеціалістів також дається опис зв'язку між цими частинами. Таким чином робиться модель складного об'єкта Далі за допомогою теоретичного вивчення та експериментів з моделлю досягається основна мета – вивчення об'єкта та керування ним.

Розглянемо особливості функціонування екологічних систем, що обумовлюють їх складність.

До основних загальних властивостей біологічних, екологічних, геологічних систем належать: територіальна та просторова неоднорідність, поліструктурність, цілісність, відкритість, динамічність, стійкість, стохастичність.

Територіальна та просторова неоднорідність притаманна кожному типу систем. В екологічних системах вона виявляється у зміні зовнішніх та внутрішніх факторів за горизонталлю (мозаїчність екосистем) та вертикаллю (ярусність).

Територіальність-просторовість – це також особливість усіх геосистем, що відрізняє їх від багатьох систем інших класів, зокрема екосистем. Із зовнішнього середовища геосистеми виділяються як певні ділянки території. Кожну геосистему можна описати метричними показниками (площею, лінійними розмірами) і топологічними (характеризують положення даної геосистеми щодо інших геосистем або об'єктів іншої природи). Територіальність геосистем дає можливість ефективно використовувати картографічні методи при їх виділенні, зображенні та аналізі.

Фактично геосистеми виділяються не стільки як територіальні (двовимірні), скільки як просторові системи. Проте просторовість властива багатьом класам систем і взагалі не потребує залежності характеристик системи від місцезнаходження та розмірів території. Структурні, динамічні та інші особливості геосистеми дуже залежать від того, яку саме ділянку земної поверхні (території) вона займає. Тому цю її властивість доцільно називати територіальністю-просторовістю.

До геосистем належать природні системи лише певного просторового інтервалу. Лінійні розміри геосистем найменших розмірів – декілька метрів, а географічної оболонки, якщо її вважати за геосистему, – 107-108 м по горизонталі та 103–104 м по вертикалі. Таким чином, аналіз геосистем виконується в просторовому інтервалі від 102 до 108 м. Лк довів В. О. Боков, порівняно з величинами, відомими в природі (найменші досліджені відстані становлять КГ22 м, розміри найбільших галактик – Кг м), це дуже малий діапазон – лише КГ31 % інтервалу відомих у природі лінійних відстаней.

Розмір геосистеми визначає особливості факторів її формування та динаміки, багато інших особливостей, а також методи дослідження. На цій підставі розробляється концепція просторової розмірності геосистеми. Згідно з нею різні ранги геосистем можна узагальнити до значно меншого числа розмірностей. Щодо числа цих класів єдиної думки у ландшафтних екологів та ландшафтознавців немає. Найдоцільніше виділення б класів (рівнів) просторового геосистемного аналізу:

  • 1) субтопічний (просторовий масштаб 10°–10і м2);
  • 2) топічний (102–104 м2);
  • 3) хоричний (104–10s м2);
  • 4) регіональний (107– 1012 м2);
  • 5) субглобапьний (10ІО-1014 м2);
  • 6) глобальний (10І4-10І6м2).

Поліструктурність. Під структурою системи розуміють характер поєднання її елементів певного типу відношеннями. Оскільки в тій самій системі можуть бути відношення різних типів, то й поєднання ними елементів також буде неоднаковим, тобто в одній системі може бути кілька різних структур. Такі системи називаються поліструктурними. Ними, наприклад, е суспільні системи (у них виділяють статево-вікову, етнічну, професійну та інші структури, що не збігаються). Ці відношення визначають спосіб поділу системи на її елементи (декомпозицію системи), їх склад та поєднання у підсистеми.

Визначення типу відношень, що вважаються структуроформувальними, тобто щодо яких виділяється структура геосистеми, залежить від аспекту аналізу останньої. Найбільш загальними аспектами аналізу систем є:

  • 1) вертикальний (синонім – топічний), де елементами є різні фізичні тіла геокомпонентів, а відношеннями – вертикальні потоки різних речовин та енергії, генетико-еволюційні та ін.;
  • 2) територіальний (синонім – хоричний), елементами якого є підсистеми нижчого рангу, ніж досліджувана, а відношеннями – горизонтальні потоки між ними, позиційні залежності, генетико-еволюційні та ін.;
  • 3) часовий (синонім – динамічний), елементи якого виділяються як окремі інтервали часу, а відношення – як послідовність їх змін.

Відповідно виділяються вертикальний, територіальний та часовий класи структур екосистеми.

Кожен із загальних аспектів аналізу системи реалізується у більш конкретних формах. Так, у рамках територіального аспекту досліджуються такі різні типи відношень, як зв'язок еко- та геосистем потоками води, повітря, міграцією тварин, їх позиційні, генетико-еволюційні зв'язки тощо. Відповідно до цих типів відношень виділяються й різні типи територіальних структур геосистеми. Послідовна конкретизація аспекту аналізу геосистеми приводить до конкретизації поняття її структури.

Ефективним підходом структурного аналізу геосистем є модульний. Модуль системи виділяється як сукупність усіх її елементів, пов'язаних безпосередніми відношеннями з якимось одним елементом або їх деякою фіксованою групою. Будь-який модуль є моноцентричною структурою. Класична модель екосистеми – типовий приклад модуля, виділеного з геосистеми. Взагалі в геосистемі можна виділити як мінімум стільки модулів, скільки в ній є елементів, тобто в межах однієї геосистеми можна аналізувати багато різних екосистем – ґрунту, певного виду рослин чи всього фітоценозу або ґрунтово-рослинного комплексу тощо.

Цілісність – властивість системи, яка проявляється в тому, що вилучення з неї певного компонента призводить до її кардинальної перебудови або взагалі загибелі, а сам цей компонент окремо від системи існувати не може або ж він якісно змінюється. Екосистеми мають риси цілісності. Так, позбавлення екосистем ґрунту призводить до їх трансформації в цілому – вони не можуть мати і рослинності, практично зникає трофічна структура, формуються специфічні водний, радіаційний, геохімічний та інші режими. Такої самої радикальної трансформації зазнає територіальна структура геосистеми. Наприклад, вилучення з неї елементів локальної ерозійної сітки (геосистем лощин, ярів, балок) призводить до інтенсивного заболочення вододілів, зміни гідрологічного і ландшафтно-геохімічного режимів геосистеми в цілому.

Своєрідність прояву цілісності у системах полягає в тому, що з вилученням із їх структури певних елементів система стає іншою (іншого типу), але не замінюється системою якогось іншого класу. В цьому відношенні цілісність геосистеми значно нижча, ніж цілісність біосистем (наприклад, окремого організму), технічне вилучення деяких елементів з яких призводить до їх розпаду (загибелі або поломки). У геосистемах може й не бути деяких геокомпонентів (ґрунтів, рослин), проте системні зв'язки між тими, що є, і тут зберігаються.

Більш "сильним" виявом цілісності систем є їх емерджентність (синонім - холістичність), тобто притаманність системі таких властивостей, якостей та функцій, яких не має жоден з її елементів і які не можуть виникнути при їх механічній суміші, а лише за умови їх взаємодії. Як приклад таких холістичних проявів екосистеми можна навести продуційний процес (продукування біомаси – наслідок складної взаємодії всіх компонентів), кругооборота різних субстанцій, здатність системи до самоочищення тощо.

Відкритість. Відкритими є системи, частина елементів яких мають зв'язки з елементами, що не належать до її структури. Елементи останнього типу становлять зовнішнє середовище системи, а зв'язки, що йдуть від них до системи, називають вхідними, входами, зовнішніми сигналами. Крім вхідних, є й вихідні зовнішні зв'язки системи (синоніми -виходи, відгуки). Системи, що мають лише вхідні зовнішні зв'язки і практично не мають вихідних, називають напівзакритими. Закритими вважаються системи, у яких немає зовнішніх зв'язків, тобто які не залежать від зовнішнього середовища. Щодо екосистем останнього сказати не можна, оскільки такі вхідні потоки, як надходження сонячної радіації, атмосферні опади тощо – неодмінна умова їх існування. Проте як напівзакриті можна розглядати деякі типи систем, наприклад акумулятивного геохімічного режиму. Горизонтальними потоками води, вітру, речовини, біотичними міграціями одні геосистеми пов'язані з іншими. Геосистеми відкриті й до антропогенних навантажень.

Ступінь зв'язку екосистем із зовнішнім середовищем настільки тісний, що є важливі підстави вважати їх характерною ознакою слабкої відокремленості із зовнішнього середовища. Із цією особливістю пов'язана, зокрема, складність визначення вертикальних та горизонтальних меж досліджуваної системи.

Динамічність. Динамічними називаються системи, значення характеристик яких змінюються в часі. У різні проміжки часу геосистема може перебувати у неоднакових станах, тому її повний опис передбачає вияв цих станів та послідовності їх змін. Таким чином, геосистеми виділяються не лише в просторі, а й у часі. Якщо з просторово-територіальної точки зору екосистема вичленовується як деякий територіально локалізований об'єм, то із часової – як певний інтервал часу, протягом якого система виявляє свої основні особливості.

Важливою особливістю динаміки екосистем є те, що різні її характеристики змінюються в часі з різною частотою. Метеорологічні показники дуже мінливі, тоді як властивості геологічної основи геосистеми змінюються дуже повільно. Виділяють різні класи часових розмірностей системи. Прийнято розрізняти добову, сезонну (річну) та багаторічну динаміку.

Стійкість екосистеми проявляється у багатьох формах і дає їй змогу протистояти зовнішнім впливам, зокрема антропогенним, зберігати за взаємодії із зовнішнім середовищем свою цілісність та інші ознаки. Нестійкі в цих умовах геосистеми змінюються на більш стійкі типи, тому стійкість екосистеми значною мірою зумовлена генетико-еволюційно. У процесі еволюції шляхом пристосування геокомпонентів та контактуючих геосистем одна до одної формуються їх стійкі ландшафтно-екологічні взаємовідносини і структури. В умовах інтенсивного втручання людської діяльності в природу ця рівновага часто порушується. Розвиток деградаційних процесів у екосистемах (вимирання видів, ерозія та засолення Грунтів, забруднення тощо) є не чим іншим, як наслідком втрати ними стійкості до антропогенних навантажень. Тому оцінка стійкості системи до зовнішніх факторів є однією з найважливіших прикладних проблем екології.

Стохастичность. Стохастичними називаються системи, залежність між характеристиками яких та їх зв'язки із зовнішнім середовищем не жорстко детерміновані (функціональні), а статистичні, ймовірнісні. Причин цього багато; одна з них полягає в опосередкованості взаємодій між елементами екосистем: елемент А діє на В, В – на С і т. д. Такі ланцюги зв'язків у екосистемі можуть бути дуже довгими. А чим довший ланцюг, тим менш тісними, менш однозначними стають зв'язки між кінцевими елементами. На систему діє багато зовнішніх факторів суто стохастичної, ймовірнісної природи (наприклад, випадання опадів), що зумовлює ймовірнісний характер її динаміки та еволюції.

Стохастичність екосистем проявляється у статистичному (корелятивному) характері зв'язків між її окремими ознаками (наприклад, між продуктивністю та гумусніспо, сумою опадів тощо), відсутності жорсткої прив'язаності одного типу геокомпонента до іншого (певного виду рослинного угруповання до лише одного певного виду ґрунту), незбігові природних меж різних геокомпонентів, неоднозначності змін геосистем за певних антропогенних навантажень, імовірнісний характер динаміки, зокрема прогнозної тощо. Усе це береться до уваги під час дослідження екосистем методами системного аналізу з використанням теорії ймовірностей та математичної статистики.

 
<<   ЗМІСТ   >>