Некоторые основные биологические понятия в общей экологии

Особь (индивид) – это отдельный организм определенного вида:

а) происходящий от одной гаметы, зиготы, споры, отростка; б) индивидуально испытывающий воздействие на него эволюционных факторов. Иногда выделить особь не очень-то просто (например, у кораллов, грибов и т. п.).

Биологический вид образуется совокупностью особей, которые:

а) имеют общие морфофизиологические признаки (т. е. одинаково выглядят и функционируют), б) способны скрещиваться, давая полноценное потомство, в) занимают сплошной или частично разорванный ареал. Мулы – потомки осла и лошади – не образуют биологического вида, так как далее не размножаются. Особей определенного вида нельзя получить от особей других видов.

Известно, что популяция – такая совокупность индивидов (особей одного вида), которые населяют общую территорию, причем способны в течение большого (в пределе – неограниченного) числа поколений воспроизводиться и эволюционно развиваться на этой территории в постоянно изменяющихся условиях среды. Принято популяции оценивать количеством особей , их плотностью и динамикой изменения этих характеристик. Плотность популяции обычно определяют двумя способами: а) соотнесением количества особей к площади (наземные организмы); б) отношением численности популяции к объему пространства обитания (для организмов в воде, в воздухе).

Сообщество популяций (биоценоз) – это совокупность популяций разных видов, взаимодействующих между собой и с окружающей средой на определенной территории. Участие различных видов в составе сообщества неодинако­во: некоторые виды преобладают (или доминируют), занимая ведущее положение (например, деревья главной лесообразующей породы); виды, живущие за счет доминантов, называются предоминантами. Сообщество структурировано, функционирует как динамическое целое, но на различных трофических уровнях неравнозначных популяций (например, доминантных, депрессивных видов) в нем совершается круговорот питательных веществ.

Место, где живет организм, называется местообитанием. Экологическая ниша – это совокупность связей организма с биотическими (чем и как питается) и абиотическими факторами среды (где живет), т. е. включает не только местообитание, но и функциональную роль организмов в сообществе. Принцип конкурентного исключения Гаузе: два вида с совершенно одинаковыми потребностями не могут существовать вместе.

Каждый вид в процессе эволюции приспособился (адаптировался) к своей экологической нише. Например, животные, обитающие в лесу, занимают различные ярусы, в которых локализованы их экологические ниши. В пределах каждого яруса выделяются более или менее обособле­нные группировки растений разных видов и связанных с ними животных. Такие группировки называют биогеоценотическими синузиями (от греч. синузия – совместное пребывание). Синузия – это структурная часть биогеоце­ноза, которая характеризуется специфическим составом и свойствами составляющих ее компонентов, тесными внутренними взаимовлияниями, общностью взаимодействия и обмена веществом и энергией (при сохра­нении целостности биогеоценоза в целом). Благодаря различным экологическим нишам на одной территории удается разместиться большому количеству живых организмов. При этом конкуренция между ними минимальна. В развитой экологической системе все экологические ниши заняты.

В экологии используют теорию биологической эволюции - образования с течением времени сложных форм (сложных сообществ видовых популяций) из простых. В теоретической биологии надежно установлены основные принципы эволюции: наследственность, изменчивость, естественный отбор и их реализация - конвариантная редупликация (т. е. вещество генов, удвоившись при слиянии мужской и женской клеток, удваивается при каждом их делении, при этом в редуплицированных ДНК могут возникать мутации) с последующим естественным отбором. В качестве других принципов можно назвать возрастание сложности биосистем (т. е. увеличение количества генетической информации), соблюдение закона минимизации энтропии.

Элементы теории систем

Система – реальный или мысленный объект, состоящий из совокупности взаимосвязанных элементов.

Элементы – простейшие части системы – могут образовывать подсистемы, которые, в свою очередь, могут являться сложной системой другого уровня. Структура системы – способ организации элементов, подсистем и характер устойчивых системообразующих связей между ними.

Например, клетки можно рассматривать в качестве элементов, а ткани, органы – подсистем сложной системы (живого организма), причем все они изменчивы, так как клетки растут, размножаются, гибнут.

Эмерджентность – новое свойство, проявляющееся именно в системе и не присущее ее частям или даже всей сумме частей (например, молекулярные связи между атомами).

Окружающей средой для системы (системного субъекта) могут быть любые объекты, в том числе другие системы и их части. Системы бывают простые и сложные.Формальный анализ сложных систем проведен академиком А. Н. Колмогоровым и развит Д. Б. Юдиным. Определим некоторые особенности сложных систем. Сложными называются системы, у которых: а) число элементов и подсистем достаточно велико (>10¹¹); б) состав системы не однороден, т. е. в ней наряду с элементами имеются взаимодействующие подсистемы.

У сложных систем имеются особые свойства, присущие только им:

1. Уникальность. Каждая большая система не имеет полных аналогов внутренней структуры.

2. Устойчивость (гомеостаз). Это свойство определяет способность системы к самоподдержанию и саморегулированию, т. е. способность устранять последствия случайных (внешних и внутренних) воздействий. Гомеостаз – это проявление постоянства термодинамических свойств открытых систем, которые описываются принципом Ле Шателье и теоремой Пригожина. Физическим механизмом, реализующим гомеостаз, является механизм обратной связи. За счет положительных и отрицательных обратных связей в системе поддерживается стабильность свойств, несмотря на возможную нестабильность собственных частей и воздействующих элементов окружающей среды. Устойчивость понимается как высокая вероятность возвращения системы в исходное состояние. К примеру, для высокоразвитых организмов системное свойство гомеостаза (от греч. подобное неизменному) заключается в сохранении постоянства состава и характеристик внутренней среды, в устойчивости всех функций организма.

3. Слабопредсказуемость. Никакое подробное знание структуры и функ-ций сложной системы не позволяет предсказать ее динамическую эволюцию.

4. Направленность (в кибернетике - целенаправленность, телеологичность). Сложные системы описываются упорядоченной совокупностью параметров, определяющих состояния системы и ход изменения этих состояний во времени (т. е. ход динамических процессов в них). Направленность проявляется как высокая вероятность возвращения в эти конкретные состояния. В естественных науках термин целенаправленность не носит антропоморфного характера и предполагает возможность эволюции системы и ее частей.

Сложные системы наиболее типичны в экологии: биологическая, экологическая системы, почва, биосфера и т. п.

Информация нематериальна, однако, например, ее физическим воплощением является энергоинформационный сигнал, который с помощью изменений малых потоков энергии управляет большими потоками вещества и энергии. Концепция обратных связей, предложенных кибернетиками, обозначает явление, состоящее в том, что управляющее воздействие на входе системы образуется не только самим источником сигнала, но и долей колебаний системы, возникающих на его выходе. Обратная связь, приводящая к уменьшению суммарного входного воздействия, называется отрицательной, к увеличению – положительной.

Примером отрицательной обратной связи в экологии может быть связь между увеличением числа организмов (питающихся одной и той же пищей) и уменьшением количества этой пищи.

Если рассматриваемая система взаимодействует с окружающей средой, с соседними системами, то она называется термодинамически открытой. Если эти системы изолированы, т. е. не взаимодействуют, то выделенная система называется закрытой, если взаимодействие слабое – условно закрытой.