Система - ϶ᴛᴏ сукупність об'єктів і / або явищ, об'єднаю ?? енних єдиним процесом.
У разі якщо процес, який об'єднує компоненти системи, є оборотним, система прийнято називати замкнутою.
У разі якщо замкнута система пов'язана з іншими системами, що забезпечують можливість її обміну з ними речовинами і енергією, така система є замкнутою відкритою системою.
Стаціонарний стан замкнутих відкритих систем - ϶ᴛᴏ рівновагу двох протилежних процесів: збільшення безладу в системі (збільшення ентропії) і відповідного відновлення впорядкованості (зменшення ентропії), тобто коли зміна ступеня впорядкованості системи (ентропії) прагне до 0.
Приплив енергії і речовин в будь-яку природну замкнуту відкриту систему повинна бути постійним тільки статистично, а, значить, в різні моменти існування системи він може призводити до посилення то однієї, то іншої сторони оборотного процесу.
Виходячи із закону збереження енергії, будь-яке посилення одного з цих процесів (хоч порядку, хоч безладу) виводить систему зі стаціонарного стану і в кінцевому підсумку веде до зниження її впорядкованості.
Збереження стаціонарного стану природних замкнутих відкритих систем в постійно мінливих умовах забезпечується тим, що при виході системи з рівноваги і збільшення ентропії (безладдя) підвищується ймовірність випадкового виникнення нових зон впорядкованості (флуктуацій - неравновесного і нестійкого распредел ?? ення енергії всередині системи). За рахунок цих випадкових процесів і відбувається еволюція систем в бік різноманітності форм распредел ?? ення енергії і підвищення їх стійкості до різноманітних випадковим впливам.
Будь-яка екосистема - ϶ᴛᴏ замкнута відкрита система, впорядкованість якої забезпечується статистично постійним припливом сонячної енергії, що акумулюється фотосинтезом. Стаціонарний стан екосистеми можливе лише при рівновазі двох протилежних процесів: створення високоупорядоченних структур у вигляді органічних речовин і організмів, з одного боку, і розпаду цих структур, їх зворотного перетворення в неорганічні речовини неживої природи - з іншого.
Тобто, умовою стійкості екосистеми є максимальна замкнутість кругообігу речовин, коли склад і кількість компонентів повертаються організмами в неживу природу в одиницю часу максимально близький складу і кількості тих же компонентів, споживаних ними за той же проміжок часу. Зовнішнім проявом стійкості і рівноваги екосистеми є сталість видовий структури біоценозу (постійне відтворення одних і тих же видів рослин, тварин і т. Д. В тих же кількісних співвідношеннях).
При цьому статистично постійний приплив сонячної енергії може і часто непередбачувано змінюється (погодні зміни, нехарактерні для даного сезону в даній місцевості). Це може привести до масової загибелі видів, нестійких до даних умов, і подальшого порушення замкнутості кругообігу речовин у НД ?? їй харчового ланцюга. Так і відбувається, наприклад, на полях при несподіваних заморозках або засухах. При цьому, на відміну від агросистем, створених людиною, в природних екосистемах велика частина подібних погодних коливань не виводить їх з рівноваги. Це пояснюється тим, наприклад, що в степу (природній екосистемі) виростає (на відміну від полів) не один, а безліч видів трав, що володіють різним ступенем стійкості до різних кліматичних чинників. При масової загибелі одного - двох видів і зниженні обсягу кругообігу речовин у відповідних харчових ланцюгах відбувається розширене відтворення інших видів трав і збільшення обсягів кругообігу інших харчових ланцюгів.
Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, максимальна замкнутість кругообігу речовин в екосистемі повинна бути забезпечена тільки максимальним різноманітністю видів живих організмів. У свою чергу різноманітність видів обмежена мінімальною чисельністю популяцій, вкрай важливо й для її стабільного відтворення і обмеженістю ресурсів екосистеми, її продуктивністю. З цієї причини може мати місце тільки різноманітність видів, вкрай важливо е для стійкості екосистем в обмежених межах змін умов життя.
Непередбачувані кліматичні зміни, катастрофи (пожежі, повені і т. П.), Втручання людини бувають такої сили, що порушення замкнутості кругообігу речовин не повинна бути компенсовано збереглися або занесеними ззовні (при повній загибелі вихідної екосистеми) видами. Масове розмноження цих видів при відсутності замкнутості кругообігу речовин неминуче призведе до зміни умов їх існування в несприятливу для них бік і змусить поступитися більшу частину ресурсів іншим видам. Така послідовна зміна видового складу біоценозу прийнято називати сукцесія, і вона буде тривати до тих пір, поки не встановиться різноманітність, що забезпечує максимальну замкнутість кругообігу речовин і перехід екосистеми до рівноваги.
Найважливіша термодинамічна характеристика організмів, екосистем і біосфери в цілому - здатність створювати і підтримувати високий ступінь внутрішньої упорядкованості, т. Е. З-стояння з низькою ентропією. Низька ентропія досягається по-стояв і ефективним розсіюванням легко використовуваної енергії (наприклад, енергії світла або їжі) і перетворенням її в енер-гію, яка використовується з працею (наприклад, в теплову). Уперед-ченность екосистеми, т. Е. Складна структура біомаси, підтрим-живається за рахунок дихання нд ?? його спільноти, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ постійно''откачівает із товариства неупорядоченность''. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, екосистеми і організми являють себяоткритие нерівно-весна термодинамічні системи, постійно обмінюються з навколишнім середовищем енергією і речовиною, зменшуючи цим ентропію всередині себе, але збільшуючи ентропію зовні в згоді з законами термодинаміки. Фундаментальні концепції фізики, сформульовані в пре-дидущей лекціях, - це найважливіші із законів природи, маю-щие універсальне значення. Наскільки нам відомо, з цих фізичних законів немає винятків і ніякі технічні з-бретенія не можуть їх порушити. Будь-яка штучна або естест-судинна система, не підкоряється цим законам, приречена на загибель. Все розмаїття проявів життя супроводжується перетворюється-щеніямі енергії, хоча енергія при цьому не створюється і не унич-тожа (перший закон термодинаміки). Енергія, що отримується у вигляді світла поверхнею Землі, врівноважується енергією, через лучан з поверхні Землі в формі невидимого теплового випромінювання. Сутність життя полягає в безперервній послідовно-ності таких змін, як зростання, самовідтворення і син-тез складних хімічних з'єдн ?? ень. Без перенесення енергії, з-супроводжуючого нд ?? е ці зміни, не було б ні життя, ні еко-логічних систем. Наша цивілізація - лише одне з чудових явищ природи, що залежать від постійного при-струму концентрованої енергії. У разі якщо б, втративши здатність добувати і зберігати достатню кількість високоякісної енергії, людське суспільство стало закритою системою, воно відповідно до другого закону термодинаміки незабаром втратило б впорядкованість.
Екологія, по суті справи, вивчає зв'язок між світлом і еколо-ня системами і способи перетворення енергії всередині системи. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, відносини між рослинами - продукції-центами і тваринами - консументами, між хижаком і жерт-вой, не кажучи вже про чисельність і видовий склад організмів в кожному местообитании, лімітуються і управляються потоком енергії, що перетворюється з її концентрованих форм в рас-сіяні . Особливу увагу екологів привертають питання перетворень-тання енергії пального, атомної енергії та інших форм кон-центрованої енергії в індустріалізованих суспільстві. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, нд ?? е типи екосистем регулюються тими ж основними законами, які керують і неживими системами, скажімо, електромоторами і автомобілями. Різниця полягає по суті в тому, що живі системи, використовуючи частину наявної всередині них до-ступні енергії, здатні самовідновлюватися і''откачівать'' невпорядкованість, а машини доводиться лагодити і замінювати, використовуючи при цьому зовнішню енергію. Захоплюючись машинами, ми забуваємо, що зменшення ентропії в результаті використан-ня машин вимагає витрати значних енергетичних ре-сурсів.
Найбільшою екосистемою, граничної за розмірами і масштабами, є біосфера. Біосферою називають активну оболонку Землі, що включає вс ?? е живі організми Землі і знаходиться у взаємодії з неживої середовищем (хімічної і фізичної) нашої планети, з якої вони становлять єдине ціле. Біосфера нашої планети існує 3 млрд. Років, вона росте і ускладнюється наперекір тенденціям холодної Ентре-пійной смерті; вона несе розумне життя і цивілізацію. Біосфера існувала задовго до появи людини і може обійтися без нього. Навпаки, існування людини неможливе можна без біосфери.
Всі інші екосистеми знаходяться всередині біосфери і є при-чиною її підсистемами. Велика регіональна екосистема, ха-рактерізует будь-яким основним типом рослинності, прийнято називати Біоми. Наприклад, биом пустелі або вологого тро-піческого лісу. Набагато меншою системою є популяція, що включає групу особин одного виду, т. Е. Єдиного происхо-дження, що займає определ ?? енний ділянку. Більш складною системою, ніж популяція, є біоценоз, який включа-ет нд ?? е популяції, що займають дану територію. Таким об-разом, популяція, співтовариство, биом, біосфера розташовуються в ієрархічному порядку від малих систем до великих. Біосфера - це глобальна екосистема планети, що підтримує глобальний кругообіг речовин.
Важливе наслідок ієрархічної організації полягає в тому, що в міру об'єднаю ?? ення компонентів в більші функ-нальні одиниці на нових щаблях ієрархічної сходах-ці виникають нові властивості, відсутні на попередніх щаблях. Ці властивості можна передбачити виходячи з властивостей компонентів, що становлять новий рівень. Цей принцип по-лучіл назву емерджентність. Суть його: властивості цілого НЕ-можливо звести до суми властивостей його частин. Наприклад, водень і кисень, що знаходяться на атомарному рівні, при соедин ?? еніі утворюють молекулу води, що володіє вже зовсім новими властивостями. Інший приклад.
У біосфері дуже важлива роль біогеохімічних циклів. Біогенні елементи - С, О, N, P, S, СО2, H2О і інші - на відміну від енергії утримуючи-ються в екосистемах і здійснюють безперервний кругообіг із зовнішнього середовища в організми і назад в зовнішнє середовище. Ці замкнуті шляху називають биогеохимическими циклами. В біогеохімічних круговоротах слід розрізняти дві частини, або як би два зрізу: 1) резервний фонд - це огром-ная маса рухомих речовин, які пов'язані з організму-ми; 2) обмінний фонд - значно менший, але дуже активний, обумовлений прямим обміном біогенних ве-суспільством між організмами і їхнім безпосереднім окру-ням. У разі якщо ж розглядати біосферу в цілому, то в ній можна виділити: 1) кругообіг газоподібних речовин з резервним фондом в атмосфері і гідросфері (океан) і 2) оса-дочно цикл з резервним фондом в земній корі (в геологи-зації круговороті). В ході біогеохімічних циклів завдяки життєдіяльності живих організмів відбувається локальне концентрування і накопичення речовин, що містять определ ?? енние елементи, що приводить до формування родовищ енергетичних і сировинних ресурсів господарської діяльності людини. Протягом багатьох мільйонів років існування життя жива матерія перетворила величезну кількість сонячної енергії в механічну і хімічну, визначила склад атмосфери, осадових порід грунту, гідросфери, невпізнанно змінила загальний вигляд планети. Отже, можна говорити про нерозривний зв'язок між неорганічної та органічної матерією. Стійкість стаціонарного стану біосфери підпорядковується тим же законам, що і стійкість будь-якої екосистеми. Формування множини локальних екосистем і глобальної екосистеми планети - біосфери, представляло собою вс ?? еоб'емлющую сукцесію, в ході якої створювалося різноманітність видів, вкрай важливо е для максимально замкнутого кругообігу речовин. В результаті за відносно короткий (700 млн. Років) термін різноманітність видів досягло сучасного рівня (близько 2 млн. Видів). З тих пір окремі екосистеми Землі і Біосфера в цілому не раз переходили від стану рівноваги до сукцесії, при цьому нерідко відбувалося вимирання як окремих видів, так і більших таксономічних груп рослин і тварин. На їх місце в екологічних нішах приходили нові види, і кожен раз перехід біосфери до рівноваги супроводжувався відновленням різноманітності видів на середньому рівні в 2 млн. Видів.
Раціональна поведінка ланок трофічного ланцюга визначається не ефективністю добування їжі, а помірністю. З цієї причини в екосистемах залишаються лише види, добре виконують свої біологічні функції - живуть і дають жити іншим. Особливості людини як біологічного виду в трофічних ланцюгах полягають у наступному:
‣‣‣ людина нд ?? еяден і може жити то за рахунок одних, то за рахунок інших ланок трофічного ланцюга; це знімає з нього вузду поміркованості;
‣‣‣ він може наближати до себе ресурси за допомогою одомашени-Нівань рослин і тварин або привозити їх, виходячи з-під контролю середовища в місці проживання;
‣‣‣ він може йти з порушеною їм ланцюга в іншу. Це дає людині відчуття свободи, однак, це свобода від не повільного відповідного впливу і від відповідальності перед нащадками.
Поняття про продуктивність і стійкості екосистем дозволяє зробити суттєві висновки про межі можливостей господарської діяльності людини.
1. Стійкість екосистем забезпечується необхідним для максимальної замкнутості кругообігу речовин різноманітністю видів живих організмів. Стійкість глобальної екосистеми планети Земля - біосфери забезпечується різноманітністю близько двох млн. Видів. Будь-яка діяльність людини, яка веде до зниження чисельності і різноманітності видів на Землі веде до порушення рівноваги біосфери. Страшно не те, що наші діти не побачать живими тих чи інших квітів і тварин, а то, що вихід біосфери з рівноваги призведе її до такої глобальної сукцессии, в результаті якої доведеться кардинально змінювати практично вс ?? е сформовані технології природокористування та життєзабезпечення людини.
2. Використання потоку енергії екосистеми направлено на максимально можливе збереження рівноваги. Отже, будь-який вид, що забезпечує своє виживання за рахунок можливості відтворення інших видів екосистеми (''сільнейшій''), призведе до порушення рівноваги екосистеми, вичерпання ресурсів, необхідних для його існування і в підсумку припинить своє існування. З еволюційної точки зору пристосованим є той вид, який, забезпечуючи своє відтворення, не перешкоджає відтворенню інших видів екосистеми.
3. Використання того ж потоку енергії в господарській діяльності направлено на його перерозподілити ?? ення в сторону отримання максимуму продукції в необхідних людині харчових ланцюгах (панування обраних людиною видів за рахунок неможливості існування інших), в зв'язку з цим втручання людини в природні екосистеми не може не порушувати їх рівноваги.
4. Формування і відновлення рівноваги екосистем - це саморегулівних процес, який базується на випадковості (випадковий занос насіння або випадкова міграція тварин, випадкові спадкові зміни властивостей організмів у результаті мутацій і рекомбінації генів).
5. Будь-яка спроба змінити рівновагу екосистеми в сторону впорядкованості (як її розуміє людина) призведе до відповідного збільшення непередбачуваності і безладу в інших частинах тієї ж системи. Тобто, роблячи будь-які перетворення природи для вирішення своїх насущних проблем, людина повинна бути готовий до неминучого появи нових і зовсім несподіваних проблем.
6. Чистий первинна продукція, а значить і максимальна врожайність с / г культур обмежена коефіцієнтом корисної дії фотосинтезу в даній природній географічній зоні (при цьому ККД фотосинтезу коливається від 12% до 0,02%) підвищити який неможливо.
7. Сумарна маса виробництва харчового тваринного білка не повинна бути вище виробництва рослинних харчових продуктів, як би не розвивалася і ні удосконалювалася біотехнологія.
8. Можливості біосфери Землі забезпечити харчуванням зростаюче чисельно людство обмежені природними непереборними факторами.