Учебно-методический комплекс дисциплины «Экологические биотехнологии» для специальности 5В060800 — «Экология» (стр. 2 )

Проблему экологии нельзя решать в масштабах одной страны или группы стран. Вредные антропогенные загрязнения, вырабатываемые в индустриально развитых регионах и странах, в результате естественной циркуляции водных и воздушных масс распространяются по всей территории Земли, вплоть до обоих полюсов, проникают в глубины океанов, достигают стратосферы. Глобальность данной проблемы еще в 1899 г. подчеркивал . Опровергая мнение крупных ученых Англии, предрекающих близкую гибель человечества от голода и удушения, он писал: «В первый раз человечество столкнется с бедствием всеобщим. Перед ним будут все равны, и мысль о всеобщей солидарности людей не будет уже пустым звуком... и тогда, конечно, найдутся меры борьбы со злом и средства его предупреждения».

Важнейшая роль в вопросах защиты и охраны окружающей среды принадлежит биологии. Сама экология в традиционном понимании является биологической дисциплиной и изучает взаимоотношения организмов, включая человека, между собой и окружающей средой. Дальнейшее развитие биологии и внедрение ее достижений в практику – один из главных путей выхода из надвигающегося экологического кризиса. Большую роль играет при этом биотехнология. Биотехнология позволяет решать ряд экологических проблем, включая защиту окружающей среды от промышленных, сельскохозяйственных и бытовых отходов, деградацию токсикантов, попавших в среду, а также сама создает малоотходные промышленные процессы получения пищевых и лекарственных веществ, кормов, минерального сырья, энергии. Масштабы биологических процессов для решения природоохранных задач могут быть, по выражению Д. Беста, «ошелом­ляющими». Экология и биотехнология взаимодействуют как через продукты, так и через технологии. В целом это способствует экологизации антропогенной деятельности и возникновению более гармоничных отношений между обществом и природой.

3. Биоэкология — праматерь всей экологии. Главная ее часть — системная экология, экология естественных биологических сис­тем: особей, видов {аутоэкология); популяций {популяционная экология, или демэкология); многовидовых сообществ, биоцено­зов {синэкология); экологических систем {биогеоценология, учение об экосистемах).

Другая часть биоэкологии — экология систематических групп организмов — царств бактерий, грибов, растений, животных, а также более мелких систематических единиц: типов, классов, отрядов и т. п.

Еще одно подразделение составляет эволюционная экология — учение о роли экологических факторов в эволюции.

Именно в биоэкологии на основе изучения роли потоков веществ, энергии и информации в жизнедеятельности организ­мов формируется представление об экологии как об экономике природы.

4. Общие понятия. Согласно общей теории систем систе­ма — это реальная или мыслимая совокупность частей, целостные свойства которой определяются взаимодейст­вием между частями (элементами) системы. Мы будем рассматривать только реальные материальные системы. По Р. Шеннону (1978), «система определяется как сово­купность объектов, объединенных некоторой формой регулярного взаимодействия или взаимозависимости для выполнения заданной функции».

В материальном мире существуют определенные ие­рархии — упорядоченные последовательности соподчине­ния и усложнения. Они служат эмпирической основой системологии. Все многообразие нашего мира можно представить в виде трех последовательно возникших ие­рархий (рис. 2.1). Это природная, физико-биологическая (Ф—Б), социальная (С) и техническая (Т) иерархии. Объеди­нение систем из разных иерархий приводит к смешанным классам систем — экологическим или экономическим.

5. Свойства системы невозможно постичь лишь на основании свойств составляющих ее частей. Решающее значение имеет именно взаимодействие между элементами. По отдельным де­талям машины перед сборкой нельзя судить о ее действии. Изучая по отдельности некоторые формы грибов и водорослей, нельзя предсказать существование их симбиоза в виде лишай­ника. Степень несводимости свойств системы к свойствам от­дельных элементов, из которых она состоит, определяет эмерджентность системы.

Рис. 1. Иерархии материальных систем;

Ф — физическая (физико-химическая), Б — биологическая, С — социальная,

Г — техническая

Принцип необходимого разнообразия элементов. Система не может состоять из абсолютно идентичных элементов. Никакая система не может быть организована из элементов, лишенных индивидуальности. Нижний предел разнообразия — не менее двух элементов (болт и гайка, белок и нуклеиновая кислота, он и она), верхний — бесконечность. Разнообразие микроскопиче­ских свойств частей системы, наличие в ней разных фазовых состояний вещества определяет гетерогенность системы.

Устойчивость. Преобладание внутренних взаимодействий в динамической системе над внешними определяет ее устойчи­вость и способность к самосохранению. Внешнее воздействие на биологическую систему, превосходящее энергетику ее внутрен­них взаимодействий, приводит к необратимым изменениям и гибели системы. Устойчивость (стационарное состояние) дина­мической системы поддерживается непрерывно выполняемой ею внешней циклической работой («принцип велосипеда»). Для этого необходимы проток и преобразование энергии в системе.

По виду обмена веществом и/или энергией с окружающей средой различают:

а) изолированные системы (никакой обмен не возмо­жен);

б) замкнутые системы (невозможен обмен веществом, но обмен энергией возможен в любой форме);

в) открытые системы (возможен любой обмен веществом и энергией).

Системы, элементы которых взаимосвязаны переносами (потоками) вещества, энергии и информации, носят назва­ние динамических. Динамические системы являются принци­пиально открытыми. Перенос информации возможен только в них. Любая живая система представляет собой динамиче­скую и, следовательно, открытую систему. Расчет количест­венного соотношения между энергией и информацией при­веден в приложении П2.

Принцип эволюции: возникновение и существование всех систем обусловлены эволюцией. Самоподдерживающиеся ди­намические системы эволюционируют в сторону усложнения организации и возникновения системной иерархии — образо­вания подсистем в структуре системы (кооперативный, систе­мообразующий принцип). Эволюция состоит из последователь­ного закрепления таких отклонений от стационарного состоя­ния, при которых проток энергии через систему возрастает. Следствием увеличения сложности и разнообразия является ус­корение эволюции, все более быстрое прохождение ее ступе­ней, равноценных по качественным сдвигам.

Любая реальная система может быть представлена в виде неко­торого образа, называемого моделью системы. Моделирование не­избежно сопровождается некоторым упрощением и формализаци­ей взаимосвязей в системе. Эта формализация может быть осуще­ствлена в виде логических (причинно-следственных) и/или мате­матических (функциональных) отношений.

6. Сложность структуры систе­мы определяется числом п ее элементов и числом т связей ме­жду ними. Если в какой-то системе исследуется число частных дискретных состояний, то сложность системы Нт определяется логарифмом числа связей:

(2.1)

Системы условно классифицируются по сложности следующим образом: системы, имеющие до тысячи состояний (0 < Нт < 3), отно­сятся к простым; до миллиона состояний (3 < Нт < 6) — к сложным; свыше миллиона (Нт > 6) — к очень сложным. Все ре­альные природные биосистемы очень сложны. Даже в структу­ре единичного вируса число биологически значимых молеку­лярных состояний на несколько порядков больше.

Есть и другой критерий сложности, связанный с поведени­ем системы, ее реакцией на внешнее воздействие. Если система способна к акту решения, т. е. к выбору альтернатив поведения (в том числе и с помощью случайного механизма), то такая ре­шающая система считается сложной. Сложной будет и любая система, включающая в себя в качестве подсистемы хотя бы одну решающую систему.

Разнообразие состава или взаимосвязей в системе оценивает­ся по показателю Симпсона как

(2.2)

или по формуле К. Шеннона:

  (2.3)

где Д Н — индексы разнообразия, рi — нормированная отно­сительная численность i-го вида элементов в совокупности и видов (Урi— 1).

Оба показателя имеют максимум при равенстве значимости всех видов в совокупности (рi = 1/л для всех /). Эти показатели важны при количественной оценке биоразнообразия экосистем и принципиально отличаются от числа представленных в эко­системе видов.

Оценка относительной организации системы, зависящей от сложности и разнообразия состава, рассчитывается по формуле:

По этому параметру системы также разделяются на три группы. Если R мала (0 < R < 0,1), система считается вероятно­стной, неустойчивой, обладающей малой жесткостью и способ­ной гибко изменять свои состояния. Если R сравнительно ве­лика (0,3 < R < 1), то система считается детерминированной, т. е. консервативной, жесткой, устойчивой. Промежуточное поло­жение занимают квазидетерминированные системы (0,1 < R < 0,3). Большинство природных биосистем имеет вероятностный, или квазидетерминированный характер.

Биологические        индивидуумы, организмы, виды (квазидетерминированные систе­мы) обладают системной ие­рархией структур и функций, в которой по мере усложнения организации возрастает разнообразие системных качеств. В хо­де эволюции таких систем всё отчетливее выделяются структу­ры и механизмы регулирования и управления всеми внутрен­ними процессами, доходящие у высших животных до цен­тральной нервной системы, а в социумах — до государственной администрации. В отличие от них природные вероятностные системы, состоящие из большого числа отдельных, разнообраз­ных, слабо скоррелированных индивидуумов, хотя и могут об­ладать иерархией положений особей, но не имеют и не нужда­ются в выделенной внутренней системе управления. Они спо­собны к самоподдержанию и во многих случаях без каких бы то ни было «центральных регуляторов» обнаруживают удивительно тонкую и точную авторегуляцию.