Контрольная работа по дисциплине "Экология"

Климатоп

Зонирование территорий по типу климата (по Лесли Холдриджу)

Изначально «климатоп» был определён В. Н. Сукачёвым (1964) как воздушная часть биогеоценоза, отличающаяся от окружающейатмосферы своим газовым составом, особенно концентарией углекислого газа в приземном биогоризонте, кислорода там же и в биогоризонтах фотосинтеза, воздушным режимом, насыщенностью биолинами, уменьшенной и изменённой солнечной радиацией и освещённостью, наличием люминесценции растений и некоторых животных, особым тепловым режимом и режимом влажностивоздуха.

На данный момент это понятие  трактуется чуть более широко: как характеристика биогеоценоза, сочетание физических и химическиххарактеристик воздушной или водной среды, существенных для населяющих эту среду организмов. Климатоп задаёт в долговременном масштабе основные физические характеристики существования животных и растений, определяя круг организмов, которые могут существовать в данной экосистеме.

Эдафотоп

Под эдафотопом обычно понимается почва как составной элемент экотопа. Однако более точно это понятие следует определять как часть косной среды преобразованной организмами, то есть не всю почву, а лишь её часть. Почва (эдафотоп) является важнейшей составляющей экосистемы: в нём происходит замыкание циклов вещества и энергии, осуществляется перевод из мёртвого органического вещества в минеральные и их вовлечение в живую биомассу. Основными носителями энергии в эдафотопе выступают органические соединения углерода, их лабильные и стабильные формы, они в наибольшей степени определяют плодородие почв.

Биоценоз, представленный в  схематичном виде как пищевая  сеть и его биотоп

Биотоп

Биотоп — преобразованный биотой экотоп или, более точно, участок территории, однородный по условиям жизни для определённых видов растений или животных, или же для формирования определённого биоценоза.

Биоценоз

Биоценоз — исторически сложившаяся совокупность растений, животных, микроорганизмов, населяющих участок суши или водоёма (биотоп). Не последнюю роль в формировании биоценоза играет конкуренция и естественный отбор. Основная единица биоценоза — консорция, так как любые организмы в той или иной степени связаны с автотрофами и образуют сложную систему консортов различного порядка, причём это сеть является консортом всё большего порядка и может косвенно зависеть от всё большего числа детерминантов консорций.

Также возможно разделение биоценоза на фитоценоз и зооценоз. Фитоценоз — это совокупность растительных популяций одного сообщества, которые и формируют детерминантов консорций. Зооценоз — это совокупность популяций животных, которые и являются консортами различного порядка и служат механизмом перераспределения вещества и энергии внутри экосистемы.

Биотоп и биоценоз вместе формируют биогеоценоз/экосистему.

Почему природные системы  могут сохранять упорядоченность.

Кроме деления систем на простые и сложные, все системы  можно разделить на закрытые и  открытые. В отличие от закрытых, или изолированных, открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Все реальные системы являются именно открытыми. В неорганической природе они обмениваются с внешней средой, которая также состоит из различных систем, обладающих энергией и веществом. В социальных и гуманитарных системах к этому добавляется обмен информацией. Информационный обмен осуществляется также в биологических системах, в частности при передаче генетической информации.

Как показал австрийский  физик Людвиг Больцман, из второго  закона термодинамики следует, что  все реальные процессы во Вселенной  должны протекать с увеличением  энтропии. В состоянии равновесия она максимальна. Энтропия, как показал  Больцман, характеризует степень  беспорядка в системе, чем она  больше, тем больше беспорядок. Теперь ясно, что тепловая энергия равновесного состояния бесполезна для совершения работы, потому что она наиболее беспорядочна. Становится ясным, почему все естественные процессы в природе идут с рассеянием энергии. Потому что это увеличивает беспорядок. Следует, однако, заметить, что второй закон носит статистический характер и применим только к системам, содержащим большое количество частиц.

Когда энтропия системы возрастает, то, соответственно, усиливается беспорядок в системе. В таком случае второй закон термодинамики постулирует: энтропия замкнутой системы, то есть системы, которая не обменивается с  окружением ни энергией ни веществом, постоянно возрастает. А это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным.

Согласно второму закону термодинамики все естественные процессы необратимы и могут протекать  только в одну сторону: в строну увеличения беспорядка, то есть в сторону теплового равновесного состояния., из-за чего и возникает так называемая «стрела времени».

В открытых системах также  производится энтропия, поскольку в  них происходят необратимые процессы, но она в этих системах не накапливается, как в закрытых, а выводится  в окружающую среду. Поскольку энтропия характеризует степень беспорядка в системе, постольку можно сказать, что открытые системы живут за счёт заимствования порядка из внешней  среды.

Живые системы для своего существования поглощают вещество с заключённой в нём энергией высокого качества (в виде питания), перерабатывая которое, они высвобождают вещество (экскременты) с энергией «низкого качества». В результате эта разность энергий идёт на поддержание жизни  и увеличение структурируемости. И хотя в результате энтропия в живой системе уменьшается, общая энтропия живой системы и окружающей среды (за счёт выхода «беспорядочной» энергии) увеличивается, как и следует из второго закона. Таким образом, если в какой-то части системы происходят процессы, уменьшающие энтропию (увеличивающие организованность), то в другой части системы обязательно протекают процессы, её увеличивающие, так что суммарное изменение энтропии всегда положительно. Оказывается, что самоорганизация систем может происходить и часто происходит самопроизвольно. В результате таких процессов с большей вероятностью и произошла жизнь.

Однако самоорганизация  может происходить лишь в сильно неравновесных диссипативных системах в результате случайных флуктуаций (флуктуация, лат. fluctuatio,  – колебание, отклонение от некоторого среднего положения) или внешних воздействий. Наука, занимающаяся эволюцией и возникновением таких систем, называется синергетикой или термодинамикой открытых неравновесных систем.

Открытые неравновесные  системы, активно взаимодействующие  с внешней средой, могут приобретать  особое динамическое состояние –                                  – диссипативность (диссипация, лат. dissipatio, – рассеяние), которую можно определить как качественно своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на микроуровне. Неравновесное протекание множества микропроцессов приобретает некоторую интегративную результирующую на макроуровне, которая качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным её микроэлементом. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, совершатся переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.

Диссипативность проявляется в различных формах: в способности «забывать» детали некоторых внешних воздействий, в «естественном отборе» среди множества микропроцессов, разрушающем то, что не отвечает общей тенденции развития; в когерентности (согласованности) микропроцессов, устанавливающий их некий общий темп развития, и др.

Понятие диссипативности тесно связано с понятием параметров порядка. Самоорганизующиеся системы – это обычно очень сложные открытые системы, которые характеризуются огромным числом степеней свободы. Однако далеко не все степени свободы системы одинаково важны для её функционирования. С течением времени в системе выделяется небольшое количество ведущих, определяющих степеней свободы, к которым «подстраиваются» остальные. Такие основные степени свободы системы получили название параметров порядка.

В процессе самоорганизации  возникает множество новых свойств  и состояний. Очень важно, что  обычно соотношения, связывающие параметры  порядка, намного проще, чем математические модели, детально описывающие всю  новую систему. Это связано с  тем, что параметры порядка отражают содержание оснований неравновесной  системы. Поэтому задача определения  параметров порядка – одна из важнейших  при конкретном моделировании самоорганизующихся систем.

 После открытия самоорганизации  в простейших системах неорганической  природы стало ясным, что весь  окружающий нас мир и Вселенная  представляют собой совокупность  разнообразных самоорганизующихся  процессов, которые служат основой  любой эволюции.

Современная наука процесс  самоорганизации систем определяет следующим образом:

1. Система должна быть открытой, потому что закрытая изолированная система в соответствии со вторым законом термодинамики в конечном итоге должна придти в состояние, характеризуемое максимальным беспорядком или дезорганизацией.
2. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если система находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и потому не способна к какой-либо организации: в этом положении достигается максимум её самодезорганизации. Если же система расположена вблизи или недалеко от точки равновесия, то со временем она приблизится к ней и в конце концов придёт в состояние полной дезорганизации.
3. Если упорядочивающим принципом для изолированных систем является эволюция в сторону увеличения их энтропии или усиления их беспорядка (принцип Больцмана), то фундаментальным принципом самоорганизации служит, напротив, возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются системой. Однако в открытых системах благодаря усилению неравновесия эти отклонения со временем возрастают и в конце концов приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и возникновению нового. Этот процесс обычно характеризуют как принцип организования порядка через флуктуации. Поскольку флуктуации носят случайный характер ( а именно с них начинается возникновение нового порядка и структуры) то становится ясным, что появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов.
4. В отличие от принципа отрицательной обратной связи, на котором основывается управление и сохранение динамического равновесия систем, возникновение самоорганизации опирается на диаметрально противоположный принцип – положительную обратную связь, согласно которому изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а напротив накапливаются и усиливаются, что и приводит в конце концов к возникновению нового порядка и структуры.
5. Процессы самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии. Мы уже видели, что при описании необратимых процессов пришлось отказаться от симметрии времени, характерной для обратимых процессов в механике. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур.
6. Самоорганизация может начаться лишь в системах обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, имеющих некоторые критические размеры. В противном случае эффекты от  синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления кооперативного (коллективного) поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации.

Перечисленные выше условия безусловно являются необходимыми для возникновения самоорганизации в различных природных системах. Но конечно же недостаточными. Так,  в химических и биологических самоорганизующихся системах важная роль отводится факторам ускорения химических реакций (процессы катализа).

Главная идея синергетики (предметом  коей являются самоорганизующиеся системы) – это идея о принципиальной возможности  спонтанного возникновения порядка  и организации из беспорядка и  хаоса в результате процесса самоорганизации. Решающим фактором самоорганизации  является образование петли положительной  обратной связи системы и среды. При этом система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденции её разрушения средой. Например, в химии такое явление называют автокатализом. В неорганической химии автокаталитические реакции довольно редки, но, как показали исследования последних десятилетий в области молекулярной биологии, петли положительной обратной связи (вместе с другими связями – взаимный катализ, отрицательная обратная связь и др.) составляют саму основу жизни.

Становление самоорганизации  во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и её среды. Система самоорганизуется не гладко и просто, не неизбежно. Самоорганизация переживает и переломные моменты – точки бифуркации. Вблизи точек бифуркации в системах наблюдаются значительные флуктуации, роль случайных факторов резко возрастает.

В переломный момент самоорганизации  принципиально неизвестно, в каком  направлении будет происходить  дальнейшее развитие: станет ли состояние  системы хаотическим или она  перейдёт на новый, более высокий  уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные  структуры – лазерные пучки, неустойчивости плазмы, флаттер, химические волны, структуры  в жидкостях и др.). В точке  бифуркации система как бы «колеблется» перед выбором того или иного  пути организации, пути развития. В  таком состоянии небольшая флуктуация (момент случайности) может послужить  началом эволюции (организации) системы  в некотором определённом (и часто  неожиданном или  просто маловероятном) направлении, одновременно отсекая  при этом возможности развития в  других направлениях.

Как выясняется, переход  от Хаоса к Порядку вполне поддаётся  математическому моделированию. И  более того, в природе существует не так уж много универсальных  моделей такого перехода. Качественные переходы в самых различных сферах действительности ( в природе и обществе – его истории, экономике, демографических процессах, духовной культуре и др.) подчиняются подчас одному и тому же математическому сценарию.