Т.А. Акимова, A.П. Кузьмин, В.В. Хаскин
Экология. Природа - Человек - Техника
Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. - 343 с.
Глава 2. Системы в экологии
2.4. Системные связи в экологии
Среди
форм взаимоотношений между организмами разных видов в природе главное место
занимают взаимодействия, которые обобщенно могут быть обозначены как «пища -
потребитель пищи», или «ресурс - эксплуататор». Сюда относятся такие явления,
как отношения хищника и его жертвы, поедание травы травоядным животным,
паразитизм и т.п. (см. § 4.3). Взаимодействия в каждой из таких пар можно
представить в виде контура прямых и обратных связей. Примером могут быть
взаимовлияния численности особей в популяциях хищника (X) и его жертвы (Ж):
Они
связаны и положительной, и отрицательной причинными зависимостями. Знаки (+, -)
в данном случае обозначают не качественный результат связи, не «хорошо» или
«плохо», а однонаправленность (+) или противонаправленность (-) изменений. Чем
больше численность популяции жертвы, тем больше пищи для хищников и численность
их возрастает (положительная прямая связь, +). Но чем больше хищников, тем
больше они уничтожают жертв и численность жертв уменьшается (отрицательная
обратная связь, -). Если речь идет об одном виде хищника и одном виде жертвы,
хищник не в состоянии уничтожить всех жертв, поскольку при снижении плотности
жертв затраты энергии на их поиск и охоту начинают превышать энергетическую
ценность пойманной жертвы. Большая часть жертв обычно избегает встречи с
хищником.
В
целом такой контур имеет отрицательный знак (-): «плюс и минус дают минус». Это
означает, что система способна сама себя поддерживать, хотя и колеблется около
какого-то более или менее стабильного уровня. Можно сказать, что в какой-то
период количество жертв уменьшилось потому, что в предыдущем периоде оно
увеличилось. Каждый из связанных таким образом членов системы становится
причиной своего собственного поведения во времени.
Рассмотрим
поведение более сложного контура (рис. 2.2).
В
экологической системе замкнутого водоема можно выделить такие компоненты:
растворенные в воде минеральные питательные вещества (обозначим их как М);
потребляющие их водоросли (В); животные, поедающие водоросли и других
животных (Ж); отмершие остатки организмов и продукты их
жизнедеятельности - детрит (Д) и разлагающие детрит до минеральных
веществ бактерии (Б).
Рис. 2.2. Схема
взаимодействий (причинных связей) между основными компонентами экосистемы
водоема
М - минеральные питательные вещества, В - водоросли, Ж
- животные,
Д - детрит, Б – бактерии
Допустим,
что под влиянием внешнего фактора, например, благоприятной температуры или
попадания в водоем органики началось усиленное развитие водорослей -
фитопланктона. Это приводит к уменьшению запаса минеральных веществ и росту
количества животных - от зоопланктона до рыб. Вызванное этим повышенное
выедание фитопланктона приводит через какое-то время к ограничению размножения
животных. Временное повышение биомассы гидробионтов ведет к нарастанию массы
детрита. Будучи пищей для бактерий, детрит обусловливает их усиленное
размножение и преобразуется ими в минеральные продукты. Цикл замыкается. Контур
в целом имеет отрицательный знак. Система способна к самоподдержанию. На
подобных механизмах основаны процессы самоочищения водоемов.
Но
если в водоем попадает слишком большое количество биогенных элементов
(например, систематически сбрасываются стоки завода минеральных удобрений),
происходит нарушение цикла. Начинается бурный рост водорослей, толщина их слоя
резко увеличивается, снижается поступление света в нижние слои водоема,
замедляются процессы фотосинтеза. Одновременно усиливается гниение большой
массы отмерших клеток. На их разложение уходит весь растворенный в воде
кислород и тогда погибают не только животные, но и разлагающие детрит бактерии.
Цепь разрывается. Если вредные для водоема стоки не прекратить, то природный
механизм самоочищения придет в упадок.
Необходимо
подчеркнуть исключительное значение отрицательных обратных связей для
любых систем, в которых осуществляется регуляция. Отрицательная обратная связь
является главным элементом любого регулятора в технике. На принципе
отрицательной обратной связи построены все механизмы регуляции физиологических
функций в любом организме и поддержание постоянства внутренней среды и
внутренних взаимосвязей, т.е. гомеостаза любой авторегуляторной системы.
Все экологические системы включают контуры отрицательных обратных связей.
В
отличие от них контуры положительных обратных связей не только не способствуют
регуляции, а наоборот, генерируют дестабилизацию систем, приводя их либо к
угнетению и гибели, либо к ускоряющемуся росту, к «разгону» системы, за
которым, как правило, следует срыв и разрушение системы.
Так,
в любом растительном сообществе плодородие почвы, урожай растений, количество
отмерших остатков растений - детрита и количество образующегося из него гумуса
образуют контур положительных связей. Система находится в неустойчивом
равновесии, так как достаточно изъятия части урожая растений без последующего
возврата в почву необходимого количества питательных веществ, чтобы начался
процесс деградации почвы и снижения продуктивности растений.
На
контурах положительной обратной связи основаны те механизмы современной
экономики, когда рост производства поддерживается усилиями маркетинга, диктатом
предложения, навязчивой рекламой, которая искусственно провоцирует новые
потребности и спрос. Ярким примером фатальности положительной обратной связи
может быть гонка вооружений, при которой увеличение количества оружия
увеличивает риск поражения оружием и потребность в усилении вооруженной защиты,
что ведет к новому витку производства еще более мощных вооружений.
Положительные обратные связи действуют и тогда, когда человек или общество
ориентируется не на подлинные объективные критерии благополучия, а на
кажущиеся, на сиюминутные прихоти. В результате действительное состояние,
здоровье человека или общества ухудшается. Механизм такого поведения Д.Медоуз
(1992) назвал «мания»-структурой.
В
сложных системах всегда сочетаются контуры обоих знаков. Необходимо
подчеркнуть, что поведение сложных авторегуляторных систем в большей степени
определяется наличием контуров обратной связи, чем силой каждой отдельной
связи. Чтобы изменить поведение системы, недостаточно изменить силу связи,
гораздо важнее добавить или изъять какие-то кольца связей, которые могли бы
изменить знак контура системы.
|