Экологические системы и их структуры

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. Следовательно, ни молекулярный, ни клеточный, ни организменный уровни, о которых шла речь выше, не рассматриваются в экологии, хотя и живая молекула, и клетка, и тем более организм представляют собой открытые системы, которые могут существовать благодаря взаимодействию со средой. Даже отдельные популяции в чистом виде выделить трудно, поскольку в естественной природе они объединяются в более обширные сообщества живых систем и взаимодействуют также с неживыми факторами среды. На популяционном уровне, как мы видели, различают такие сообщества, или экологические системы, как биоценозы и биогеоценозы, в которых сообщества живых организмов исследуются в тесной связи с неорганическими условиями их существования, например, 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, согласно В.И. Вернадскому, все живое, биокосное и косное вещество на поверхности нашей планеты. И хотя она в известных пределах функционирует автономно, но в конечном итоге может существовать и развиваться только за счет энергии Солнца и потому является также открытой системой, которую, в отличие от других систем, называют экосферой.

В экологии наибольшее значение для изучения структуры ее систем приобретает анализ тех трофических, или пищевых, связей, которые соединяют различные популяции друг с другом. О них кратко говорилось выше, но теперь мы 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. Как мы видели, 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 немалыми 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 отделять друг от друга и посредством такого приема получать 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 становится ясным, что каждый из этих методов следует применять на своем месте, в зависимости от конкретных условий исследования, а следовательно, они не исключают, а предполагают и дополняют друг друга. Суммативный подход часто оказывается целесообразным при проведении экспериментов с такими экологическими совокупностями, которые исследуют, например, воздействие различных внешних факторов на систему. 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. Поскольку важной целью моделирования является предсказание поведения системы в различных условиях и в разные периоды времени, постольку в последние годы в экологии стали чаще прибегать к построению математических моделей, начиная от простейших, типа так называемого черного ящика, и кончая сложнейшими, в которых учитывается действие большого числа переменных. Для их расчета используются мощные компьютеры и другая вычислительная техника.