Біосистеми

Екологія: біологія взаємодії. 0. Титул і передмова

Цією сторінкою автори починають роботу над створенням української версії другого видання їх підручника екології. Робота організована так: у Мережу (на сайт Batrachos.com) було викладено російський текст, що відповідав першому виданню (воно мало назву "Материалы для изучения курса общей экологии с основами средоведения и экологии человека"), а потім почалося поступове виправлення і доповнення цього тексту. Паралельно з російським варіантом підручника з 2015 року в Мережі на цьому ж сайті розпочато розміщення українського варіанту. У ході роботи з удосконалення цього підручника буде особливо корисною конструктивна критика від зацікавлених читачів. Автори просять про неї і будуть за неї щиро вдячними.

Екологія: біологія взаємодії. 1.01. Що таке «екологія»?

Розділ 1. Екологія та біосистеми, які вона вивчає

Поняття «екологія» було складене Геккелем з двох грецьких коренів: oicos — домівка і logos — слово, наука. З моменту створення поняття «екологія» існувала безперервна низка дослідників, що трактували його в зазначеному сенсі. Говорячи сучасною мовою, екологія — наука, що вивчає взаємодію організмів і надорганізмених систем з навколишнім середовищем. Екологія — це біологічна наука про взаємозв'язки!

Екологія: біологія взаємодії. 1.02. Значення екологічних знань

Протягом життя читачів цього підручника в способі життя людства відбудуться нечувані зміни. Зростання чисельності людства зупиниться. Зміниться характер відносин людства із середовищем. Залежність від невідновних і різко обмежених ресурсів (нафти, газу, вугілля, руд металів, біогенів на кшталт фосфору) стане менш гострою. Людство навчиться задовольняти свої потреби інакше, ніж протягом останнього часу. Зміниться навіть сам механізм прийняття рішень — як окремою людиною, так і частинами глобального людства: народами, державами. Те, як будь-яка дія буде впливати на середовище проживання, стане найважливішим обставиною всякого вибору.
Що є підставою для наведених тверджень? Названі зміни — умова виживання людства.

Екологія: біологія взаємодії. 1.03. Структура екології

В даному курсі прийнято підрозділяти екологію на загальну і спеціальну, а також виділяти в рамках загальної екології галузі, що відповідають різним рівням організації біосистем.

Екологія: біологія взаємодії. 1.04. Історія екології

Існує версія, що народження екології як науки могло відбутися наприкінці XVIII або на початку XIX століття завдяки роботам Антуана Лавуазьє. У 1792 році Лавуазьє представив доповідь «Кругообіг елементів на поверхні земної кулі», де описав круговорот Карбону і заклав уявлення про три функціональні групи організмів (які пізніше назвали продуцентами, консументами і редуцентами). Велика французька революція стратила Лавуазьє не за контрреволюційну діяльність, а тому, що він належав до певного соціального прошарку («Революція не потребує науковців, пане!» — нібито сказав чоловік, який відправив Лавуазьє на гільйотину в ім'я ідеалів свободи, рівності і братерства).

Екологія: біологія взаємодії. 1.05. Рівні організації біосистем

Біологічні системи організовані ієрархічно, і на кожному рівні здійснюється регуляція, що використовує подібні принципи. В кінці XX століття отримав розвиток системний підхід, що пішов від Людвіга фон Берталанфі. Він заснований на том, що системи, побудовані з схоже взаємопов'язаних частин, мають подібні цілісні (емергентні) властивості. Порівнюючи системи різного рівня, можна побачити між ними багато спільного, а можна і знайти риси специфічності для кожного з рівнів. Осмислення цих закономірностей вилилося в концепцію структурних рівнів організації біосистем, яка почала розвиватися в 30-х роках XX століття, а остаточно склалася в 60-х роках

Екологія: біологія взаємодії. 1.06. Підходи до вивчення біосистем

Біологію можна ділити на частини в трьох відносно незалежних вимірах (рис. 1.6.1): з одного боку — за об'єктом вивчення (зоологія, ботаніка, мікробіологія тощо), з іншого — за методом (молекулярна біологія, біохімія, генетика і т. д.), і з третього — за підходом, що визначає розглянуті проблеми: морфологічному (описує структури), фізіологічному (описує процеси), екологічному (описує зв'язок із середовищем) і еволюційно-історичному (описує передісторію системи).

Екологія: біологія взаємодії. 1.07. Регуляція біосистем

 Прямий зв'язок — це вплив якогось чинника на досліджувану систему (приклад: повертаючи кермо, водій змінює напрямок руху автомобіля). Зворотний зв'язок — залежність керуючого впливу від стану самої системи (приклад: зміна руху автомобіля впливає на повороти керма водієм). Таким чином, зворотний зв'язок — це управління системою з урахуванням її стану, залежність керуючого впливу від його результатів. Негативні зворотні зв'язки стабілізують систему, а позитивні — переводять її в інший стан (тобто руйнують колишню структуру взаємозв'язків)

Екологія: біологія взаємодії. 1.08. Властивості складних систем

Чим цілісніша система, тим складнішим стає її мозаїчний опис. Мозок настільки складний, тому що об'єднаний безліччю зв'язків (нейрон мозку людини може мати 100 000 синапсів). Можливо, що людський мозок є найскладнішим об'єктом у Всесвіті (в усякому разі, конкурувати з ним міг би лише мозок більш розвиненої істоти). Екосистеми менш цілісні, і їх емергентні властивості не настільки несподівані. Тим не менш, навіть досить прості системи здатні виявляти несподівані емергентні властивості, викликані взаємодією частин системи, що не розкладаються на окремі елементи.

Екологія: біологія взаємодії. 1.09. Стійкість біосистем

Характерна особливість регуляції за принципом негативного зворотного зв'язку полягає в тому, що вона призводить до коливань регульованої величини. Якщо вплив виведе біосистему за межі її регуляції негативними зворотними зв'язками, вона перейде в іншу якість. Спрацюють позитивні зворотні зв'язки. Якщо ж вплив виявиться не критичним, негативні зворотні зв'язки зможуть повернути біосистему до норми.

Екологія: біологія взаємодії. 1.10. (доповнення) Динамічна типологія біосистем

Динамічна типологія заснована не тільки на аналізі спостережуваного стану об'єкта, а й на прогнозі (в типовому випадку — імовірнісному) його майбутньої динаміки. Одним із шляхів побудови такої типології є визначення всієї сукупності їх можливих станів (ідентифікація їх фазового простору), аналіз траєкторій в різних частинах цього фазового простору (на цьому етапі надзвичайно корисним може бути імітаційне моделювання), і, нарешті, виділення басейнів стійкості, відповідних різним динамічним типам. З цієї точки зору, стійкість біосистем — це їх здатність зберігати або закономірно змінювати свій динамічний тип.

Екологія: біологія взаємодії. 1.11. (доповнення) Науковий метод

Роботу гіпотетико-дедуктивної моделі наукового пізнання можна описати наступним алгоритмом:
1. Пошук невідповідностей у ході застосування наукової системи уявлень (моделі дійсності, що будується наукою) для пояснення наявних даних;
2. Висування нових гіпотез, що узгоджують з системою уявлень факти або висновки, що слугували причиною переходу на цей крок;
3. Прогнозування наслідків з висунутих гіпотез (дедукція);
4. Перевірка прогнозів (у багатьох випадках — експериментальна)

 

Екологія: біологія взаємодії. 1.12. (доповнення) Моделі, їх обмеження та небезпеки

Деякі об'єкти неможливо або складно досліджувати безпосередньо. В цих і в безлічі інших випадків використовуються моделі. Модель — система, створена для вивчення системи-оригіналу; вона повинна мати подібний характер взаємодії частин і завдяки цьому може мати подібні емергентні властивості. Однак користуючись моделями, важливо ніколи не забувати про те, що вони — наближення, придатні тільки для оцінки певного діапазону явищ. Розділимо сукупність станів системи-оригіналу і моделі, що її описує, на дві області: ту, в якій оригінал вдалося спостерігати в дійсності, і ту, про яку ми судимо лише за моделлю. Якщо модель не відповідає оригіналу в вивченій області, від неї треба відмовлятися або, як мінімум, істотно її коригувати. А ось в невивченій області довести адекватність моделі неможливо.

Екологія: біологія взаємодії. 1.13. (доповнення) Універсальні властивості біосистем

Попри усю специфічність біосистем різних рівнів, для них можна виділити ряд універсальних властивостей. Певний склад і впорядкованість. Ієрархічність організації. Обмін речовин. Потік енергії. Здатність до розвитку. Пристосованість. Саморегуляція. Динамічність. Цілісність. Унікальність. Здатність до відтворення.

Екологія: біологія взаємодії. 1.14. (доповнення) У чому шукати причини особливостей біосистем?

Саме еколого-еволюційний підхід дозволяє зрозуміти, чому організми є такими, якими ми їх спостерігаємо. Ключ до пояснення властивостей будь-якої біосистеми лежить у розгляді особливостей її стосунків з середовищем протягом її історії.

Екологія: біологія взаємодії. 2.12. (доповнення) Виникнення життя. Передживі системи

Ми можемо дійти до висновку, що для виникнення життя необхідні й достатні три умови. Це:
— можливість повного спектра перехідних станів між неживими та живими системами;
— можливість самовільних переходів з одних станів в інші, сусідні;
— дія добору, що переважно зберігає і відтворює «живіші» системи.