Теория устойчивого развития геосистем

 

 

 

 

 

 

 

ТЕОРИЯ УСТОЙЧИВОГО  РАЗВИТИЯ ГЕОСИСТЕМ 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Понятие о геосистеме было введено в 1963 году В.Б. Сочавой и поначалу было встречено географами довольно  сдержанно, однако уже несколько лет спустя оно стало чрезвычайно популярным.

 Придерживаясь точки  зрения В.Б. Сочавы, принято рассматривать геосистему как понятие, относящееся к сложным природным территориальным единствам (комплексам), как динамическую (пространственно-временную) систему, состоящую из географических компонентов, взаимосвязанных и взаимообусловленных в своем развитии и пространственном размещении.

К геосистемам в указанном  смысле применимы все основные понятия  общей теории систем: целостность, иерархичность, структурность, функционирование, устойчивость и т.д.

Фундаментальным свойством, определяющим жизнеспособность и долговечность  всех природных систем, включая антропогенные, является устойчивость к внешнему воздействию. В то же время в эколого-географической литературе нет однозначного толкования этого понятия.

В широком смысле под устойчивостью геосистем понимают их способность сохранять свою структуру и особенности функционирования при внешнем воздействии. «Устойчивость геосистем есть мера соответствия между составляющими временной структуры — нормальным функционированием, восстановлением, необратимым преобразованием качества».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕКОТОРЫХ  ПОНЯТИЙ И ТЕРМИНОВ

1. Геосистема.

Геосистема–это  природно-географические единства всех возможных категорий, от планетарной  геосистемы (географической оболочки или географической среды в целом) до элементарной геосистемы (физико-географической фации).

Геосистемы–материальные выражения целостности географической оболочки и отдельных ее участков.

Им свойственны качественно  своеобразные законы изменения и  развития – частные проявления особой географической формы движения материи.

Геосистема — тип систем, по традиции относимых к географии. Критерии географичности нечетки. К ним относятся: расположение в пределах ландшафтной сферы, размер, характерное время, развернутость структуры по поверхности Земли. Структура системы — совокупность элементов системы и связей или отношений между ними.

Обратная связь — взаимодействие двух или больше элементов системы, при котором воздействие, переданное одним из них, через некоторое  время возвращается по цепи связей к нему же в первоначальном или преобразованном виде. Обратная связь — основа механизмов саморегулирования.

Структура ландшафта (любого ранга) — набор территориальных  комплексов более низкого ранга  и их топология; взаимное расположение, размеры, характерная форма, отношение  площадей, геометрия границ.

Фактор — одно из внешних  условий, оказывающих влияние на состояние системы или ее структуру.

Состояние системы — система  в фиксированный момент времени  или в фиксированной точке  пространства. Состояние системы, формально  охарактеризованное, представляет собой  набор числовых значений переменных состояния, отвечающих определенному моменту времени.

Переменная состояния - переменная, характеризующая изменение системы  во времени или в пространстве. При переходе системы через критическое  состояние набор переменных состояния  в общем случае должен быть изменен.

Стационарный режим - серия  последовательных состояний системы  на отрезке времени или пространства, в пределах которого переменные состояния  изменяются стационарным процессом, но средние величины и дисперсии  сохраняют одно и то же значение. В фазовом пространстве (пространстве состояний существенных переменных) стационарный режим изображается в форме шара.

Состояние системы критическое  — состояние, исходя из которого саморазвитие системы может привести ее в бассейн устойчивости, отличный от того, в котором она находилась раньше.

2. Устойчивость

Устойчивость  — неизменность во времени или в пространстве безотносительно к причине (внешней или внутренней), инертность. Не предполагает активной реакции системы на воздействие.

Устойчивость — способность систем противостоять внешним и внутренним возмущениям, сохраняя равновесное или гомеостатическое состояние, а также структуру, характер функционирования и траекторию движения в течение относительно продолжительного времени, сравнимого с характерным временем изменяющих систему процессов.

Устойчивость проявляется  различно в зависимости от вида возмущения: 
а) при импульсном возмущении происходит самопроизвольное возвращение в состояние, близкое к первоначальному посредством переходного процесса;

б) после ступенчатого возмущения переходный процесс переводит систему  в другое равновесное, или гомеостатическое, состояние, отвечающее новым значениям входных переменных (факторов);

в) в ходе действия медленно нарастающего (или убывающего) возмущения система "отслеживает" изменение  фактора, сохраняя состояние подвижного равновесия; 
г) при периодическом возмущении после каждого одиночного возмущения возникает переходный процесс, направляющий систему к первоначальному состоянию, но прерываемый следующим импульсом.

Область устойчивости —  интервал изменений какой-либо входной  переменной, в пределах которого система  не попадает в критические состояния.

Запас устойчивости — расстояние между точкой, отвечающей реальному  состоянию системы на оси какой-либо входной переменной, и границами  области устойчивости — критическими точками, отвечающими состоянию, после  которого начинается переход в новый  бассейн устойчивости. Запас устойчивости может измеряться в относительных  единицах (по отношению ко всему  интервалу области устойчивости), а также в затратах вещества, энергии, времени, денег и т.п., необходимых  для перевода системы в критическое состояние.

Бассейн устойчивости —  область в абстрактном многомерном  пространстве, построенном на осях переменных состояния, из всех точек  которой переходный процесс приводит систему в одно и то же равновесное  или гомеостатическое состояние.

Устойчивость структурная  — способность систем сохранять  и восстанавливать набор элементов  и связи между ними после возмущений.

Устойчивость функциональная — способность систем сохранять  и восстанавливать после возмущений характер функционирования, даже если при этом меняется структура.

Устойчивость позиционная  — способность систем сохранять  и восстанавливать после возмущений положение на поверхности Земли и пространственную структуру.

Эластичность — способность  систем (в том числе экосистем) при возмущениях заменять отдельные  элементы (особи и виды растений, животных, социальные элементы) на другие с сохранением в общих чертах связей между элементами и характера  функционирования.

 

3. Равновесие.

Равновесие — состояние  системы, в котором не происходит никакого саморазвития. 
Равновесие устойчивое — состояние системы с наименьшим запасом свободной энергии (сравним гомеостатическое состояние). После возмущения система возвращается в состояние равновесия устойчивого посредством переходного процесса.

Равновесие неустойчивое — состояние системы, в котором  небольшое возмущение приводит к  дальнейшему самопроизвольному  движению к точке равновесия устойчивого. Если система располагается на границе  между бассейнами устойчивости, то равновероятно движение к двум или  нескольким точкам равновесия устойчивого.

Равновесие безразличное — состояние системы, в котором  любое не слишком большое изменение  не вызывает переходного процесса.

Равновесие циклическое  — траектория движения системы в  пространстве состояний, особенностью которой является регулярный возврат  к одному и тому же исходному состоянию. Может быть устойчивым, неустойчивым и безразличным в зависимости  от способности самопроизвольно  возвращаться после возмущения к  начальной траектории, удаляться  от нее или свободно менять ее на любую другую. В фазовом пространстве (пространстве состояний существенных переменных) равновесие циклическое приобретает форму тора.

Гомеостатическое состояние  — состояние системы с максимальным или оптимальным для живых  компонентов запасом свободной  энергии. После возмущения система  под действием обратных связей восстанавливает  гомеостатическое состояние. Переходный процесс может идти как в сторону  уменьшения, так и в сторону увеличения свободной энергии.

Гомеостаз — способность  системы возвращаться в гомеостатическое состояние. 
Динамическое равновесие — состояние системы, в котором противоположно направленные процессы (привнес и вынос вещества и энергии, организация и дезорганизация) взаимно скомпенсированы.

Подвижное равновесие —  траектория системы в пространстве состояний, по которой система следует  за изменением входных переменных (факторов), сохраняя в каждый момент времени  состояние равновесия устойчивого.

Подвижное гомеостатическое состояние — переменное состояние  системы, при котором она следует  за изменением входных переменных (факторов), сохраняя гомеостатическое состояние.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 2 МЕХАНИЗМЫ УСТОЙЧИВОСТИ ГЕОСИСТЕМ

2.1. Устойчивость и изменчивость

В условиях, когда среда  является источником множества постоянно  действующих возмущений, или шума, наличие механизмов устойчивости должно быть признано непременным условием существования сколько-нибудь организованных структур в окружающем нас мире.

Связь устойчивости к изменчивости простирается еще глубже. Сохранение систем в большинстве случаев  невозможно без адаптивных изменений  в самой системе или приспособительных  преобразований окружающей среды. Изменения  в окружающей обстановке, как правило, должны быть компенсированы внутренними изменениями в системе.

Все механизмы устойчивости можно разделить на четыре группы: механизмы, сохраняющие (стабилизирующие): а) состояния систем; б) тип функционирования; в) структуру; г) направленность (траекторию) движения систем.

2.2. Механизмы стабилизации  состояния

Можно назвать шесть  механизмов, с действием которых  связано более или менее продолжительное  пребывание систем в неизменном состоянии: инерция, ограничение обмена с окружающей средой, проточность, отрицательная, положительная  и конкурентная обратные связи.

Свойством, подобным инерции, обладают системы, которые располагают  резервной емкостью, позволяющей  безболезненно поглощать поступающие  в систему чужеродные элементы. Так, в течение определенного времени  может происходить накопление загрязняющих веществ в почве без видимых  последствий для структуры косных и биотических компонентов, для  плодородия почвы. При этом в барьерных  зонах или во всей почвенной толще  может происходить нейтрализация  загрязнений (загрязнителей), сопровождающаяся необратимым расходованием определенных элементов.

Во всех случаях, когда  устойчивость состояния определяется инерцией или подобным ей свойством, происходит необратимое расходование некоторого "запаса", определенного  качества системы, при этом эффект прямо  пропорционален произведению силы воздействия  на его длительность и обратно  пропорционален "запасу" массы, емкости.

Приспособления, ограничивающие обмен систем с окружающей средой и таким образом способствующие стабилизации состояния, широко распространены в окружающей нас среде. Здесь  можно перечислить пленки поверхностного натяжения на границах веществ с  разным фазовым состоянием, клеточные  мембраны, кожный покров и кору живых  организмов, наружный хитиновый скелет насекомых, покров из чешуи, перьев, шерсти, костных пластинок и т.п. С другой стороны, стабильность географической среды находится в прямой зависимости  от существования магнитного поля Земли, атмосферы с ее ионосферой, озоновым экраном, облачным покровом.

Механизмы ограничения  обмена, несмотря на свою распространенность, не могут иметь универсального значения, так как полная изоляция невозможна, а главное, для саморегулируемых систем, особенно для живых, это означало бы прекращение обмена веществ без которого прекратится самое их существование.

К пассивным механизмам, поддерживающим более или менее  стабильное состояние систем, следует  отнести также проточность. К  проточным можно отнести системы, устроенные по типу бассейна с входной и выходной трубами: в одну втекает вода (или любое другое вещество), в другую — вытекает. Соответственно чужеродные вещества, попадающие в систему, затем могут быть вымыты из нее в ходе нормального функционирования. Атмосфера Земли, воды океанов, почвы гумидных территорий, организмы растений и животных — примеры проточных систем. Слабость этого механизма в том, что он хотя и эффективно противостоит одиночным импульсным воздействиям, не срабатывает, когда поток загрязнений не уменьшается.

Следующие механизмы можно  отнести к активным стабилизаторам состояния. Активность их заключается  в том, что внешнее воздействие  включает программу, следуя которой  система ослабляет влияние возмущения. Среди таких механизмов основную роль играет отрицательная обратная связь (Эшби, 1959). Многочисленные регуляторы отрицательной обратной связи —  основа гомеостатических свойств живых  организмов, позволяющих им сохранять  содержание воды и множества химических веществ в тканях, состав крови, температуру тела и т.п.

2.3. Механизмы сохранения  типа функционирования

Для природных и социальных систем в некоторых случаях оказывается  важнее всего сохранить нормальный порядок процессов, поддерживающих существование открытых систем, обмен  веществ. Для решения этой задачи может быть принесена в жертву стабильность состояния и неизменная структура системы. Можно наметить три или четыре механизма, выполняющих  эту функцию, хотя в действительности число их, возможно, больше. Сюда мы отнесем надежность, эластичность, "разбегание" по экологическим  нишам и "разбегание" в географическом пространстве.

Надежность — технический  термин, предполагающий, что система  выполняет некоторую заданную извне  функцию. Основным средством повышения надежности технических устройств является дублирование элементов (подсистем), выполняющих одни и те же функции. Тогда при выходе из строя ("отказе") элемента система продолжает действовать так же, как и раньше, опираясь на сохранившиеся аналогичные элементы. 
 Наиболее ярко дублирование функций проявляется на организменном уровне системной иерархии. Множество половых и соматических клеток в любой момент готовы заменить друг друга.

Эластичность систем (Holling, 1973) предполагает возможность замены одного элемента системы, оказавшегося неэффективным в изменившихся условиях, другим, более подходящим. Луговые степи Курского заповедника сильно меняют свой флористический состав в зависимости от того, сухой или влажный, теплый или прохладный выдался летний сезон. При этом продукция травостоя, утилизация приходящей солнечной радиации существенно не меняется (Дроздов, Злотин, 1974).

Рассредоточение подсистем (видов растений, животных) по разным экологическим нишам — нормальный процесс формирования многовидовых сообществ (Пузаченко, 1975). В ходе взаимной адаптации видов их конкуренция за ресурсы питания (взаимный шум) минимизируется и таким образом происходит стабилизация процессов обмена и состояния биоценоза.

Рассредоточение во времени  обусловливается теми же причинами  и приводит, например, к хорошо известному в геоботанике эффекту сезонной смены аспектов растительного покрова. 
Структурные перестройки систем во всех перечисленных случаях направлены на наиболее полное использование экологического или географического пространства и времени и в конечном счете на оптимизацию процессов функционирования эко- или геосистем.

2.4. Механизмы сохранения структуры.

В тех случаях, когда  инвариантом оказывается структура  систем, на ее сохранение продолжают работать все рассмотренные выше механизмы  стабилизации состояния. Для сохранения нормального функционирования, как  можно было убедиться, структура  иногда приносится в жертву: происходит замена части элементов, включая  доминирующие, строение системы становится более рыхлым (связи ослабляются). Однако эти структурные перестройки  относятся к определенному уровню иерархии систем и, пока их размах не слишком  велик, они служат лишь укреплению и  сохранению структуры систем более  высокого уровня.

Ниже предлагается рассмотреть  семь механизмов, служащих в основном сохранению структуры систем, часто  путем компенсационного изменения  существенных параметров состояния. Это  механизмы включения резервных  программ, временного перехода в закрытое состояние, двигательная адаптация, преобразование окружающей среды, накопление резервов, симбиоз и адаптивная эволюция. Большинство  из них предполагает участие регуляторов, организованных по принципу обратной связи.

Механизм включения резервных (спящих) программ характерен для систем с развитым саморегулированием: живых, социальных и технических. Сигналом для запуска программ служит сильное  отклонение состояния системы от нормы, превышающее заранее определенный порог и угрожающее существованию  системы.

Двигательная адаптация  как один из механизмов сохранения структуры в некоторой степени  свойственна растительным организмам (гелиотропизм) и бактериям, но в  основном эта способность принадлежит  животным. Под двигательной адаптацией понимается активный переход, передвижение организма из среды с худшими  условиями в более благоприятную  обстановку. Сюда можно включить и  уход от опасности, и поиски пищи, и  перемещение к теплу или, наоборот, к прохладе.

Еще более специфичным  механизмом, характерным для человека и в определенной степени для  животных, является более или менее  сознательное преобразование внешней  среды в свою пользу. В мире животных классическими стали примеры  построек термитов, муравьев и бобров, выкапывание нор, сооружение гнезд  птицами.

Еще ярче способность сохранять  себя, включаясь в комплексную  систему более высокого ранга, проявляется  в симбиозе, комменсализме, объединении  в стаи и разновидные сообщества. Комплексные системы, состоящие  из более чем одного организма, получают дополнительную жизнеспособность и устойчивость к возмущениям по сравнению с разрозненными организмами, когда между ними существует положительная обратная связь, взаимная польза.

Накопление резервов вещества, энергии и информации "на черный день" еще один метод повышения  жизнеспособности живых систем. Нет, вероятно, ни одного живого организма, который бы не содержал в себе хотя бы минимальный запас воды и питательных  веществ, позволяющий существовать в перерывах между усвоением  питательных веществ. В некоторых  случаях нормальный ритм существования  требует создания значительных их запасов, например, для обитателей пустынь, субарктической зоны, особенно для птиц, совершающих длинные сезонные перелеты.

Среди прочих механизмов сохранения структуры или, может быть, основных особенностей структуры, особняком  стоит адаптационная эволюция. Здесь  максимально реализуется принцип "измениться чтобы сохраниться". При изменении климатических, геоморфологических, геохимических условий жизни в каком-либо экотопе согласованность форм жизни с абиотической средой неизбежно нарушается. Если изменения совершаются не слишком быстро, то наиболее действенным средством восстановления равновесия системы становится ведущий отбор (Шмальгауэен, 1968). Эволюция может внести более или менее радикальные изменения в строение и функционирование организмов, вплоть до появления признаков, характеризующих новые классы и типы живых организмов. Тем не менее можно считать, что этот процесс направлен на сохранение, причем в большей мере, чем на изменение всей ценной информации, накопленной в ходе эволюции. Условием сохранения старых структур становится их приспособление к новым условиям и добавление к ним некоторых новых механизмов.

2.5. Механизмы сохранения  траектории движения.

Программу устойчивого  развития содержит в себе каждый действующий  контур обратной связи. Чрезвычайно  трудно остановить процесс кристаллизации переохлажденной воды, развитие оврага или тропического циклона. Устойчивость развития этих диссипативных структур (Пригожин, Стенгерс, 1986) определяется положительной обратной связью, действующей по формуле: "еще больше, чем достигнуто". С отрицательной обратной связью осуществляется так называемый эквифинальный процесс, идущий с замедлением, как при выработке почвенного профиля. 
Процесс, идущий под контролем обратной связи, но не приводящий к возникновению системы с новой структурой, можно было бы назвать саморегулированием "от достигнутого". Как показано на примере растительных сукцессий, в более сложных случаях развитие системы может иметь результатом ее самоотрицание и замену другой системой, причем это может происходить неоднократно. Усложнение заключается в том, что в игру вмешивается элемент случайности, выбор из некоторого набора вариантов, а траектория включает точки бифуркации (Пригожин, Стенгерс, 1986). Механизмы обратной связи, саморегулирование начинают работать в таких случаях в сочетании с механизмами самоорганизации. При участии самоорганизации креод в определенной степени размывается, "трубка" становится шире, ход развития менее определенным. Тем не менее общий регулятор процесса и в этих случаях сохраняет его общую направленность как инвариант "от простого к сложному" или "от менее жизнеспособного к более жизнеспособному", "от менее организованного к более организованному". К таким процессам мы можем отнести биологическую эволюцию и эволюцию геосистем на нашей планете, развитие городов, развитие отдельных культур человечества и всей цивилизации как единой системы.

2.6. Факторы устойчивости.

Наряду с механизмами  устойчивости геосистем целесообразно  выделять факторы устойчивости, условия, при которых эти механизмы  действуют. Разные механизмы требуют  неодинаковых условий. В тех случаях, когда стабильность состояний не связана с процессами саморегулирования, когда включены механизмы инерционного типа, благоприятными считаются условия  спокойной, защищенной от внешних влияний  среды с минимальным притоком вещества, энергии и информации.

Механизмы саморегулирования  и особенно самоорганизации менее  зависимы от состояния окружающей среды, но зато требуют изобилия энергетических и вещественных ресурсов для того, чтобы поддерживать систему на удалении от термодинамического равновесия. Для  активного сохранения инварианта любого вида необходимы затраты энергии  и материальной структуры, организованные определенным образом.

Циклическую организацию  движения вещества следует отнести  не к механизмам, а к факторам устойчивости.

Для механизма накопления, названного здесь резервированием  вещества, энергии и информации, важнейшим фактором следует считать  разнообразие условий внешней физико-географической среды, позволяющей сконцентрировать на ограниченной территории множество  видов организмов. Чтобы механизмы  саморегулирования и особенно механизмы  эволюционные могли проявиться, необходимо еще одно условие — не слишком  большая скорость возмущающих процессов. Если характерное время регулятора больше, чем время, за которое происходит нарастание возмущения от начала до максимальной фазы, механизм стабилизации не успевает прореагировать, инвариант системы  не сохраняется.

 

 

 

Заключение 

Многокомпонентность геосистем, нечеткость их границ, иерархическая структура, наличие разнообразных (как линейных, так и нелинейных) связей между элементами предопределяют необычайную сложность их как объекта исследования. Все это, а также гносеологическая неоднозначность трактовок самого понятия «устойчивость» вызывают большое разнообразие подходов и методов к оценке устойчивости геосистем. Ученые понимают, что универсальная количественная оценка устойчивости требует получения и анализа огромного фактического материала и на практике еще долгое время будут преобладать эмпирические подходы. Понятно также, что оценка устойчивости конкретных геосистем в первую очередь должна опираться на анализ их структуры и динамики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы