2.4. системные связи 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.