1. Головна
  2. Екологія: біологія взаємодії
  3. Біосистеми

Біосистеми

Екологія: біологія взаємодії. Титул та 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 й будуть за неї щиро вдячними

 

Біосистеми

Екологія: біологія взаємодії. I-01. «Екологія» — що це?
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!
Біосистеми

Екологія: біологія взаємодії. I-02. 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)

Біосистеми

Екологія: біологія взаємодії. I-03. 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 зі 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

Біосистеми

Екологія: біологія взаємодії. I-04. Структура екології та її місце серед галузей біології

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

Біосистеми

Екологія: біологія взаємодії. I-05. Добір як причина доцільності біосистем
Еволюція організмів пов'язана з їх розмноженням. Пристосовані організми поширюються, непристосовані — зникають. Чи може виеволюціонуватися об'єкт, який не утворює свої копії, а просто змінює свої стани? Так. Прикладом може бути ускладнення мозку окремої людини. Мозок розв'язує важливі для нього задачі, вчиться на цьому і стає більш пристосованим. Як це відбувається? Поки задача не розв'язана, відбувається пошук її рішення — перебір різних станів мозку, різних дій, які здійснює людина. Коли рішення знайдене, певний варіант дій спрацював, відбувається його закріплення. Нестійкі стани змінюють один одного, стійкий стан залишається, саме тому, що є більш пристосувальним (таким, що відповідає взаємодії з середовищем). Від аналізу збереження і розмноження (копіювання) систем, що еволюціонуються шляхом змін однієї на іншу, ми перейшли до розгляду станів однієї системи, що можуть змінювати один іншого. У такому разі нам потрібне поняття стійкості, як здатності зберігати свій стан. З іншого боку, ми можемо побачити, що навіть «типова» біологічна еволюція за Дарвіном має розглядатися як розвиток у бік більшої стійкості. Щоб зрозуміти це, слід змінити погляд на самі організми. Будь-який організм принципово відрізняється від неживої системи тим, що він є етапом більш тривалого процесу.
Біосистеми

Екологія: біологія взаємодії. I-06. 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)
Біосистеми

Екологія: біологія взаємодії. I-07. 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. З усім тим, навіть досить прості системи здатні виявляти несподівані емергентні властивості, викликані взаємодією частин системи, що не розкладаються на окремі елементи

 

.

Біосистеми

Екологія: біологія взаємодії. I-08. 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.
Використання поняття «стійкість» в екології — окремий випадок його загальнонаукового вживання. Класичним визначенням поняття «стійкість» є те, яке було дано в 1892 р. творцем теорії стійкості руху Олександром Михайловичем Ляпуновим (доцентом, а пізніше — професором Харківського університету, що нині названий на честь В. Н. Каразіна). На нашу думку, з математичних підходів для екології корисніше всього уявлення про сталість за Ж. Л. Лагранжем, яке є окремим випадком стійкості за О. М. Ляпуновим. З цієї точки зору, стійкість є здатністю системи залишатися в обмеженій області свого фазового простору
Біосистеми

Екологія: біологія взаємодії. I-09. Моделювання як пізнання — і біосистем, і усього іншого

Як і задачі можна вирішувати за допомогою імітаційного моделювання? Прогнозування динаміки певного процесу на підставі наявних даних. Пошук суперечностей в уявленнях про об'єкт дослідження. Вдосконалення таких уявлень тощо (рис. I-09.1). Один з цікавих типів імітаційних моделей може перевіряти, чи достатньо певного набору причин, щоб викликати у досліджуваної системи властивості, походження яких намагається зрозуміти дослідник. Якщо модель, при побудові якої задано чітко визначений набір факторів, демонструє ознаку, яка досліджується, це доводить, що ця ознака може бути наслідком даного набору факторів. 
Біосистеми

Екологія: біологія взаємодії. I-10. (доповнення) Істоти Денієла Деннета: моделювання як головна функція психіки

Єдиними відомими нам грегорієвими істотами є представники Homo sapiens Linnaeus, 1758. Коли ви взаємодієте з даними текстом та схемами, ви реалізуєте саме той спосіб вдосконалення моделей, що є характерним для грегорієвих істот.  До речі, вам зрозуміло, чому на рис. I-10.4 всередині моделі, яка будує зображена там істота, показано й саму цю істоту і побудовану нею модель? Здатність моделювати самого себе має назву рефлексії і є важливим механізмом формування образа «Я».

Усі показані механізми пошуку адаптивної поведінки реалізують спосіб спроб та помилок. У дарвінових істот «спробою» є поява організму, що здатний забезпечувати певну поведінку, а у попперових та грегорієвих істот спроби розв'язання задач, які ставить перед ними середовище, відбуваються у їхній психіці. Зверніть увагу: у сталій назві пошукового алгоритму «спосіб спроб та помилок» не згадано третій компонент: випадкові удачі. Коректніше було б казати про «спосіб спроб, помилок та удач». Саме цей алгоритм забезпечує і дію природного добору, і переміщення навпомацки, і геніальні осяяння людини-творця.   
Біосистеми

Екологія: біологія взаємодії. I-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)

 

Біосистеми

Екологія: біологія взаємодії. I-12. (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

Біосистеми

Екологія: біологія взаємодії. I-13. (доповнення) Зв'язок біосистем з середовищем: обмін речовиною, енергією та інформацією

 

 

 

Біосистеми

Екологія: біологія взаємодії. I-14. (доповнення) Опис різноманіття біосистем: класифікація, типологія, ординація

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

Біосистеми

Екологія: біологія взаємодії. I-15. (доповнення) Моделі як засіб (само)обману

«У машинну пам'ять заклали опис прототипу хордових тварин, аналогічного ланцетнику, що дожив до наших днів (А), цифри внизу — «генотип», машинний опис 24 ознак «виду». Цей вихідний вид міг перетворюватися в інші, причому мінливість була невизначеною, за Дарвіном. Прогресивні (ускладнюючі) і регресивні (спрощуючі) зміни були рівноймовірними. Після кожного кроку часу, що приблизно відповідав 1 млн. років палеонтологічного літопису, машина робила перебір одержаних варіантів, оцінюючи їх за ступенем пристосованості. При цьому аутсайдери стиралися з пам'яті ЕОМ («вимирали»), а їх осередки займали нові, «пристосовані». Так моделювалася боротьба за існування і природний добір» (О. В. Яблоков, Б. М. Мєдніков, 1987)
Біосистеми

Екологія: біологія взаємодії. I-16. (доповнення) Чому світ саме такий, який він є? Сила еволюційно-екологічного підходу
Наведемо приклад застосування еколого-еволюційного підходу для розуміння того, 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. Чому людина має дві руки та дві ноги, а не нагадує кентавра? Тому що вона є прямоходячим представником групи (надкласу) Tetrapoda — Чотириногі. До тетрапод належать наземні (та вторинноводні) хребетні. Чому хребетні, які вийшли на суходіл, зробили це саме на чотирьох (а не, припустимо, на шести, як комахи) ногах? Докладна відповідь на це питання потребує багато місця, але коротко викласти її логіку можна і тут.

 

Біосистеми

Екологія: біологія взаємодії. I-17. (доповнення) Чому світ саме такий, який він є? Стійкість, а не оптимальність

 
Погана новина: ми живемо у світі Неша, а не у світі Парето...

 

Біосистеми

Екологія: біологія взаємодії. I-18. (доповнення) Рівні добору

 Різні рівні біосистем суттєво відрізняються за своїми властивостями. Одна з поширених помилок полягає в очікуванні, що на усіх рівнях добір буде йти однаково на різних рівнях. Якщо на рівні особин добір йде через загибель одних одиниць та розмноженні — інших, то дехто очікує, що на біосферному рівні добір буде йти таким саме чином. Насправді це необов'язково. Добір sensu lato на рівні біосфери може не бути дарвіновським, він може виглядати як оптимізація.  
Біосистеми

Екологія: біологія взаємодії. I-19. (доповнення) Сценарії дворівневого добору: Невидима рука, Невидима нога, Невидима голова
Ми використовуватимемо поняття Невидима рука (©Adam Smith) для випадків узгодженості оптимізації на вищому на нижчому рівнях.
У разі суперечності між рівнями ми будемо казати про  Невидиму ногу (©Herman Daly) у разі перемоги нижчого рівня та Невидиму голову у разі перемоги вищого рівня.
У яких випадках в біологічних, соціальних системах тощо реалізується сценарій Невидимої голови?

 

Біосистеми

Екологія: біологія взаємодії. I-20. (доповнення) Філософський лікнеп: що ми знаємо, чого не узнаємо та коли обмежені презумпціями

(у розробці)

Біосистеми