Развитие энергетики России Тепловые станции Экологический аспект Электрофильтры Регенеративные методы Математическое моделирование экологических систем Аварийные ситуации на АЭС

Введение в экологию энергетики

Дискретность и непрерывность биосферы

Подпись:  
Джордж Эвелин ХАТЧИНСОН
(G.E. Hutchinson, 1903 - 1991)
гидробиолог, лимнолог и эколог, развивший экосистемные представления; предложил современное понятие «экологической ниши»
Достаточным и конструктивным может быть определение основной задачи экологии как задачи о распространении и обилии организмов [Andrewartha, Birch, 1954]. К этому сводятся почти все операции по упорядочиванию гидробиологических объектов и математическому моделированию экологических сообществ разного масштаба и структуры. Однако до сих пор отсутствуют строгие определения таких основополагающих терминов, как «популяция», «сообщество», «обилие» и «биоразнообразие», понятийная размытость которых особенно проявляется на фоне углубления представлений об экосистеме, как пространственно-временном континууме.

Интересен в этом плане взгляд на биосферу испанского исследователя Р. Маргалефа [1992], как на «латерально неоднородную пленку», которую можно описать в виде мозаики столбиков, каждый из которых "работает" как элементарная единица с вертикальной полярностью. Поперечный размер каждого такого столбика задан всей "организацией" (?) системы и может варьироваться от практически безразмерной точки отбора пробы до обширных территорий. Образ маргалефских столбиков приводит к мысли, что «биосфера скорее дискретна, чем непрерывна». В стационарных условиях между соседними единицами-столбиками происходит обмен потоками вещества и энергии, который может быть симметричным, несимметричным или в форме нерегулярных флуктуаций. Все претензии описать биоценозы как функционально ограниченные части биосферы связаны с попытками установить некоторые границы там, где обмен между смежными компонентами приближается к нулю, т.е. каждое подмножество столбиков изолировано от других системой вертикальных перегородок. Однако в реальных экосистемах наблюдается, чаще всего, интенсивный горизонтальный обмен, не допускающий функционального разделения частей, прилегающих друг к другу. Это приводит к мысли, что «биосфера скорее непрерывна, чем дискретна». Нетрудно увидеть здесь аналогию с корпускулярно-волновыми свойствами материи, вполне доказанными теоретической квантовой механикой. Машиностроение для энергетики Совершенствование технологии изготовления статорных перегородок герметичных насосов на основе применения электронно-лучевой сварки Статорные перегородки (рубашки) являются важной составной частью электропривода герметичных насосов, используемых в транспортных РУ и нефтехимической промышленности. К оболочкам толщиной 0,4 мм, изготавливаемым из специального хромоникелевого сплава, предъявляются очень высокие требования по прочности, герметичности и долговечности, т.к. от этих свойств зависит работоспособность всего насосного агрегата.

Аналогичные представления могут быть распространены с биосферы вообще на любое подмножество видов или конкретную популяцию. Имея в виду «обилие» i-го биологического вида,  можно говорить лишь о том, что в каждой точке пространства с координатами {x, y} в каждый момент времени t существует вероятность pi того, что численность вида  Ni превысит некоторое наперед заданное число N0. Исходя из теоретико-вероятностных представлений, вся территория Земли характеризуется функцией распределения плотности этой вероятности, причем для любой точки значение pi может быть весьма мало, но никогда не обращается в нуль. Например, можно говорить о вероятности р = 10-23 нахождения мухи цеце в ноябре над фонтаном перед Большим театром, принимая во внимание гипотетическую возможность ее бегства из кармана заезжего энтомолога…

В этом смысле важнейшее значение имеет набор целесообразных соглашений о пространственно-временных рамках интерпретации результатов экологических наблюдений. Иными словами, гидробиологические пробы не являются нечто вроде измерения температуры в хорошо перемешанной среде – концепция горизонтальной гомогенности водоема справедлива лишь для весьма небольших озер. Сейчас уже не вызывает сомнения пространственная неоднородность плотности популяций гидробионтов и в изучении характера этой неоднородности достигнуты интересные и важные результаты. Например, еще полвека назад В.С. Ивлев [1954] показал, что при различных возмущающих воздействиях происходят закономерные изменения "статистики ансамблей" зообентоса, т.е. неупорядоченное случайное размещение населения дна водоема может меняться на строго равномерное или пятнистое. К сожалению, до сих пор отсутствуют рекомендации, на какой пространственно-временной интервал следует распространять результаты конкретного гидробиологического наблюдения и каков должен быть механизм их суммации. Остается обычной практика, когда в явных случаях гетерогенности вместо одной пробы берут несколько и пользуются средними величинами. Дальнейшие манипуляции с такими "средними" следует, вероятно, рассматривать достаточно скептически, поскольку совсем неясно, имеют ли какой-либо смысл такие осреднения по пространству [Виленкин, 1978].

Еще больше неопределенности возникает при попытках оценить такой общественно значимый фактор как «биоразнообразие». До сих пор отсутствует однозначное определение, что это такое и в каких единицах его следует измерять. Ю. Одум [1986], обсуждая общие концепции биологического разнообразия, со ссылкой на Р. Уиттекера [1980] дает несколько своеобразное определение – «сообщества различаются по числу и "значимости" (предпочтительнее измерять значимость продукцией видов – количеством органического вещества, произведенного на единицу площади или объема в единицу времени) входящих в них видов». Основные законы экологического разнообразия (или биоценотические принципы) были сформулированы в 1939 г. А. Тинеманом (А.Тhienemann):

Подпись:  
Август ТИНЕМАН
(A. Тhienemann, 1882-1960)
гидробиолог и лимнолог, сформу-лировал «биотические принципы», ввел понятие «продукция»
чем разнообразнее условия существования в пределах биотопов (больше размерность экологической ниши), тем больше число видов в данном биоценозе;

чем больше отклоняются от нормы (оптимума) условия существования в пределах биотопа, тем беднее видами становится биоценоз и тем больше особей будет иметь каждый из "оставшихся" видов (этот принцип Ю.И. Чернов [1975] называет правилом компенсации).

Здесь очевидно явное концептуальное противоречие. С одной стороны, согласно второму принципу Тинемана, число особей и число видов связаны обратной зависимостью, что позволяет сделать вывод о том, что биоразнообразие никак не связано с продукционными характеристиками экосистемы, либо имеет с ними отрицательную корреляцию. С другой стороны, биоразнообразие по Уиттекеру тем больше, чем выше "значимость" (т.е. продуктивность) видов.

Биоценотические принципы Тинемана имеют вероятностный характер и подтверждаются статистически только на некотором, хотя и достаточно большом подмножестве примеров. В частности, Ю. Одум [1986] приводит пример обратной закономерности, когда строго направленный или умеренный стресс при наличии сильного доминирования вызывают увеличение, а не уменьшение разнообразия (обработка инсектицидами участков просяного поля в Джоржии, США). Х.А.Хокс [1977] утверждает, что в случае загрязнения водной среды органическими веществами и эвтрофирования биоценотические принципы вообще спорны, поскольку при увеличении трофности разнообразие многих таксонов увеличивается.

Для того, чтобы разнообразие внутри одного местообитания не путать с разнообразием ландшафта или региона, который содержит "смесь" местообитаний, Р. Уиттекер [Whittaker, 1960; цит. по: Миркин, Наумова, 1998] предложил различать следующие типы разнообразия:

альфа-разнообразие (разнообразие внутри сообщества, разнообразие "в узком смысле" – видовое богатство, измеряемое числом видов на единицу площади или объема, и соотношение показателей участия видов в сложении сообщества, измеряемое выравненностью видов [англ. evenness of equitability]);

бета-разнообразие (разнообразие между сообществами, измеряемое скоростью изменения видового состава вдоль градиентов среды; бета-разнообразие может быть измерено числом синтаксонов одного ранга [субассоциации, ассоциации и пр.] или величиной полусмена [англ. half change, НС] – отрезка градиента среды, вдоль которого меняется половина видового состава сообщества; таким образом, полная смена видового состава соответствует 2НС)

гамма-разнообразие (разнообразие биомов, разнообразие "в широком смысле" – объединение альфа- и бета-разнообразия; простейшим показателем гамма-разнообразия будет конкретная флора или фауна, список видов в пределах ландшафта или водного бассейна).

Приведенная классификация имеет, в значительной мере, умозрительный характер, поскольку в гидробиологии зачастую отсутствуют строгие (в первую очередь, математические) методы оценки границ между сообществами, биоценозами, водоемами, бассейнами и более крупными региональными образованиями.


На главную