Ecologia ca sistem - Ecologia sistemica

Ecologia ca sistem - Ecologia sistemica

2.4.1. Conceptul de sistem si teoria sistemelor

Sistemul [gr. systema, atis = gramada, morman, vraf, reuniune organizata, asamblare, grup, trupa, ansamblu de concepte].

Prin anii '70 se manifesta o criza în biologie pe care Simpson (1969) o atribuia faptului ca a avut loc o împartire a biologiei în doua; pe de o parte, biologia fizica, chimica si moleculara; pe de alta parte, biologia organismala si evolutionista. De aici se poate deduce clar ca fenomenele biologice nu au nimic special si ca pot fi explicate prin legi caracteristice unor procese ce au loc la nivel molecular. De altfel, unul din principiile fundamentale ale biologiei moderne este acela ca procesele care au loc în organismele vii se supun legilor fizicii si chimiei, la fel ca si procesele din sistemele nevii. Dar, proprietatile speciale ale viului rezulta din complexa organizare a viului.

De altfel, si autorul citat mai sus a aratat ca pentru a depasi legile pur fizice si chimice este necesara implicarea organizarii, precum si asamblarea structurala si functionala a viului, care îl deosebeste de neviu.

Organizarea. Este o caracteristica fundamentala a viului. Prin organizare se întelege un ansamblu de fenomene si elemente cu interactiuni si functii în cadrul ansamblului si care se subordoneaza functiilor întregului. Se poate întelege prin organizare stabilirea unor ansambluri de fenomene, de elemente în asa fel încât interactiunile si functiile elementelor din ansamblul respectiv sa fie subordonate legilor importante (esentiale) ale întregului, pe linia participarii lor la conservarea ansamblului (întregului) si la realizarea functiilor sale. Organizarea implica asadar o structura si o functie.

Structura. Se refera la relatii stabilite în timp si spatiu, între elementele 10410c220k componente ale unui sistem biologic. Sunt deci relatii spatiale si temporale. Unii autori (Botnariuc 1976) vorbesc despre "arhitehtonica"! sistemului, de pozitia în spatiu a elementelor componente, la un moment dat.Relatiile temporale reprezinta interactiunile dintre elementele componente, deci procese care se deruleaza în timp. Structura unei biocenoze, de exemplu, cuprinde atât totalitatea speciilor (populatiilor) componente, proportia dintre ele si distributia acestorra în mediu (spatiu), precum si interactiunile dintre aceste populatii, interactiuni care determina modificari în timp, deci în ceea ce priveste dinamica acestora în timp si spatiu.

Functia (activitatea desfasurata de un element component ce se subordoneaza functionalitatii întregului). Orice element care compune la urma urmelor un întreg, este si functional, deci îndeplinestre una sau mai multe functii. Functia este aceea care determina rolul elementului component în existenta întregului din care face parte. Functia este acea activitate a acelui element care de fapt asigura echilibrul si stabilitatea întregului. Functia implica deci existenta unei activitati orientata spre mentinereea întregului dar determina implicit si existenta unei finalitati. Astfel, indivizii care intra în constituirea unei populatii asigura supravietuirea si reproducerea dar activitatile acestea mentin stabila paopulatia respectiva.. Constituientii unei celule au rolul lor dar în totalitatea determina o activitate normala în celula si asigura stabilitate, specificul si individualitatea acesteia.

Este important de retinut ca desi întregul este constituit din elemente componente, fiecare cu functiile sale, mentinerea acestui întreg presupune o reglare coordonata a modului de functionare a partilor componente deci o subordonare a acestora la legile si functiile esentiale ale întregului din care face parte elementul respectiv

Sistemul este unitatea organizatorica a materiei. Stugren (1975) arata ca Universul nu este o îngramadire întâmplatoare de de particole ci dimpotriva este un fenomen de ordonare, un sistem ( complex de elemente sau procese care se afla permanenta în interactiune. Notiunea de sistem în aceasta acceptiune nu are sensul si semnificatia de clasificare, de ordonare (ca în botanica sau zoologie) ci este vorba de o proprietate generala de structura a materiei, unde se tine cont deci de caracterul si modul de organizare, de nivelul de organizare a partilor într-un întreg si deci si de tipurile de legaturi si interactiuni ale elementelor ca parti componente ale întregului. Sistemuleste deci un grup de obiecte materiale între care se desfasoara interactiuni reciproce si rezulta un ansamblu anitar cu o calitate proprie, o actiune comuna a întregului (Stugren 1965).

Materia apare sub forma de substanta si energie.Einstein a aratat ca cele doua forme de manifestare ale materiei sunt reversibile în principiu, deci orice sistem material poate ceda aluia substanta (masa) si energie si poate de asemenea, sa accepte la rândul lui, substanta si energie, de la alt sistem. Pornind de la acest principiu, dar si din punctul de vedere al relatiilor cu mediul, Prigogine (1954) a împartit sistemele materiale în 3 categorii:

- izolate: nu schimba nici substanta nici energie cu exteriorul; un asemenea sistem se mentine doar pe baza resurselor proprii însa transformarile energetice ale unui sistem izolat nu pot functiona la infinit (energia se transforma treptat-treptat în caldura, care nu este în întregime recuperata iar sistemul izolat degenereaza prin moarte termica). De retinut ca asemenea sisteme practic nu exista în natura ci sunt doar "o abstractizare fizico-matematica a unui aspecxt al realitatii obiective". Aceste sisteme sunt doar "teoretice". dar luarea lor în discutie este utila pentru ca reprezinta o stare "ideala" a unui sistem (Botnariuc 1976), iar diferite stiinte opereaza cu asemenea stari ideale, neceare teoretic dar inexistente în natura

- închise: nu schimba cu exteriorul substanta ci doar energie; studiile arata însa ca de fapt nu exista sisteme complet închise iar pe lânga energie se schimba si substanta. Un vas cu apa ermetic închis nu are cu exteriorul un schimb de substanta ci numai de energie: daca aerul din jurul vasului se raceste sistemul va ceda din caldura sa iar daca se încalzeste, apa va absorbi caldura. Din punct de vedere al termodinamicii acest tip de sisteme tind spre stare termodinamica cea mai probabila si unde energia libera a sistemului tinde catre un minim iar entropia tinde catre valoarea maxima. Exista si sisteme naturale apropiate de cele închise. Astfel este Pamântul (daca se face abstractie de aspectele de substanta: praf cosmic, meteoriti etc) si chiar biosfera poate fi considerata un sistem închis, daca intervalul de timp la care ne referim se limiteaza doar la atât cât exista organismele (pe acest interval parametrii fizico-chimici se schimba putin încât pot fi considerati constanti

- deschise: schimba cu exteriorul atât substanta cât si energie; în aceasta categorie intra cele mai multe sisteme, atât biologice cât si cele fara de viata (lac, râu, cadavru, stânca etc). Sistemul biologic este unul deschis dar de o calitate superioara deoarece pe lânga schimbul de substanta si energie se desfasoara si un schimb de informatii (cel de al treilea tip de interactiuni în lumea vie).

Sistemul biologic (viu). Sistemul biologic este considerat a fi un sistem deschis automat, autogenerator, autodeclansator, integral, informational, dinamic, antientropic, autocinetic, telenomic, autoreproducator, nelinier, oscilator, anizotrop, cu retroactiune etc.

☺ - toate sistemele vii sunt sisteme deschise (mai corect spus - sisteme semideschise, deoarece nu pot fi absolut "permeabile"); între ele si mediu exista un permanent schimb de substanta (ex. ciclurile biogeochimice), energie (fluxul energetic sub forma de electroni) si de informatie (sustin procesele de autoreglare si adaptare);

☺ - sistemul biologic este capabil de autodirijare si autoreglarea activitatilor pe care le deruleaza;

☺ - biosistemele sunt capabile de autoregenerare si autoreproducere;

☺ - toate biosistemele au o structura cvasi-ordonata, fiind formate din componente (subsisteme) de acelasi fel sau eterogene;

☺ - sistemele biologice sunt ierarhice: subsistemele se pot desprinde în anumite conditii din sistemul viu si devin ele sisteme independente, alcatuite la rândul lor din alte subsisteme ordonate ierarhic;

2.4.2. Insusirile sistemelor biologice

♦ Revenind la Bertalanffy, el s-a ocupat numai de sistemele biologice (si a lasat în seama altora pe cele fizice, chimice sau de alta natura). Conform GTS, el a atribuit sistemelor biologice câteva caracteristici generale (caractere) deosebite de importante, cu tangenta la lamurirea domeniului remarcabil care este viata:

Caracterul istoric

Toate corpurile materiale sunt caracterizate de evolutie, deci de miscare si transformare. La sistemele biologice acest proces este calitativ, în comparatie cu formele lipsite de viata. In cazul uni sistem anaorganic, pentru a-i descifra structura si functiile este suficient sa cunoastem parametrii lui recenti, actuali. In cazul unui sistem biologic lucrurile se schimba: pentru a explica organizarea si comportamentul acestuia este insuficienta cunoasterea parametrilor actuali ci este nevoie de a fi cunoscut trecutul acelui sistem, istoria si evolutia sa, relatiile sale cu alte sisteme si cu mediul.

Caracterul informational

Spre deosebire de sistemele nevii, sistemele biologice, deschise, informationale, folosesc avantajul transformarilor energetice ca un mijloc pentru a prelua, prelucra si transmite informatiile. Datorita acestei activitati informationale, sistemele biologice se integreaza în mediu si transforma acest mediu.

Integralitatea

Este o trasatura importanta care consta în faptul ca un sistem deschis, cu toate însusirile partilor sale componente nu se va reduce la suma acestor însusiri ale partilor componente. Privit ca o entitate, un tot unitar, sistemul are astfel însusiri structurale si functionale noi si pe care nu le au partile sale componente analizate izolat (de ex. însusirile unui organism, populatii, biocenoza sunt diferite de însusirile partilor componente). Toate aceste insusiri noi rezuzlta tocmai din interactiunea permanenta dintre partile sistemului, de organizarea si modul lor de functionare în cadrul sistemului respectiv.

Programul

Este o trasatura asociata cu capacitatile structurale si functionale ale sistemului.. Este vorba de factori interni care determina un mod specific de reactie a sistemului la stimuli externi deci si modul cum va actiona sistemul asupra mediului. Apoi, structura unui sistem biologic nu este una rigida dar nici modul sau de functionare. In relatiile permanente dintre un sistem biologic si mediul de viata în permanenta schimbator sistemul trece prin diferite stari. Atunci când ne referim la caracterul de program al unui sistem ne imaginam tocmai una din aceste stari posibile pe care le poate realiza sistemul, la un moment dat, dar numai în anumite limite care evident ca sunt impuse tocmai de modul sau de organizare. Fiind mai multe stari posibile ale unui sistem, este clar ca putem vorbi de mai multe programe.

Organizarea sistemica a naturii determina existenta în fiecare sistem, a unei ierarhii de programe.

Echilibrul dinamic

Este o stare caracteristica a sistemelor biologice. Este vorba de o stare stationara, ca o consecinta tipica a sistemelor deschise, aceea de a întretine un permanent schimb de substanta si energie cu sistemele înconjuratoare. Dupa cum am amintit anterior, la sistemele fara viata aceste relatii cu mediul duc treptat la dezorganizarea sistemului, deci la disparitia lui. De ex. o stânca în permanent contact cu mediul este dezagregata si transformasta în pietris si apoi în nisip. Daca dorim sa conservam aceste sisteme, aceasta depinde de gradul si nivelul de izolare fata de mediu înconjurator.

Spre deosebirea de acestea, sistemele vii, biologice, nu sunt niciodata într-un asemenea echilibru iar procesele sale legate de metabolism duc la o stare stationara care este mentinuta la o anumita distanta de un echilibru adevarat datorita unui flux permanent de intrari - iesiri, de constructie - degradare a materialelor sale componente (Bertalamffy 1960).

Eterogenitatea interna

Orice sistem biologic, implicit ecologic, este compus din parti mai mult sau mai putin diferite. La orice nivel ar fi, tendinta sistemelor biologice este în sensul cresterii eterogenitatii lor interne. Acest aspect poate fi clar distins fie la nivelul dezvoltarii ontogenetice, fie filogenetic, fie la nivelul dezvoltarii biocenozelor sau ecosistemelor. Sistemele biologice nu tind însa spre o eterogenitate maxima deoarece între diferitele parti copmponente ale unui sistem biologic se dezvolta corelatii multiple, iar cu cât sistemul respectiv este mai complex, cu atât si aceste corelatii sunt mai numeroase. Corelatiile acestea duc la o diminuare a incertitudinii în structura acelui sistem, la diminuarea nivelului informatiei deci la o diminuare a diversitatii. Deci un sistem biologic poate fi mentinut în niste conditii concrete ale existentei sale de o eterogenitate optima.

Autoreglarea

Intotdeauna, aceste influente care provin din mediu au tendinta de a creea dezechilibre la nivelul sistemului respectiv. Deci pentru a mentine integralitatea sistemului acesta trebuie sa anihileze actiunile mediului si sasi regleze toate procesele din interiorul sau pentru a asigura mentinerea sa în timp si spatiu. Cu alte cuvinte, pentru a asigura integralitate si echilibru dinamic sunt necesare mecanisme de autoreglare a sistemelor biologice, adica o functionare a acestora pe principii cibernetice.

Din punct de vedere al sistemului cibernetic, sistemul biologic are o organizare care îi permite sa receptioneze informatie, sa o acumuleze, sa o prelucreze si sa-i asigure o circulatie fireasca între elementele sale componente pentru ca final sa se realizeze un raspuns fidel al sistemului la mediu.

Pentru ca autoreglarea sa fie posibila este necesar ca raspunsul pe care îl da sistemul sa poata fi comporat cu comanda care o primeste. Se deduce deci ca este necesar ca acea calitate a raspunsului sa fie comunicata din nou receptorului (cel care a primit semnalul initial), si astfel ca functionarea receptorului este conditionata de efectul produs. Cale de la RECEPTOR spre EFECTOR reprezinta conexiunea directa, iar calea inversa dela EFECTOR spre RECEPTOR este conexiunea inversa = retroactiune = feedback.

Omul a creat diferite sisteme tehnice care functioneaza dupa un asemenea principiu (ex. termostatele) dar dupa acelasi principiu functioneaza si mecanismele fiziologice de hoemostazie (ex. reglarea cantitatii de glucoza din sânge, reglarea temperaturii corpului, reglarea presiunii sângelui, miscarea respiratorie etc).

Si la nivelul sistemelor ecologice exista aceleasi principii (ex. numarul de indivizi dintr-o populatie, raportul dintre populatiile dintr-un ecosistem etc).

Conexiunea inversa, ca rezultat al interactiunilor dintre elementele componente ale unui sistem este un fenomen universal comun tuturor sistemelor deschise, din cele ami diverse domenii (mediu anorganic, tehnic, biologic, social, astronomic).

Conexiunea inversa (feedback) construita pe categoria interactiunii este cheia care explica ordinea în Univers (Klaus 1963).

2.4.3. Ierarhizarea sistemelor biologice. Sistemul ecologic

Ca sistem, materia vie ni-se prezinta sub forma unor organisme, a unor"indivizi". Pe de alta parte, biosfera are un caracter "discret" (discontinuu) alcatuita din unitati distincte. Mintal sau artificial, aceste sisteme capabile de viata autonoma pot fi descompuse în unitati inferioare - subsisteme - . Iata o asemenea "descompunere" cu ierarhizarea subsistemelor: atom - molecula - macromolecula - particola coloidala - organit celular - celula - tesut - organ - sistem - aparat - arganism - populatie - specie - biocenoza - ecosistem - biosfera - ecosfera - univers

Poate însa ca niciunde mai bine decât în lumea vie, în totalitatea sa, biosfera, formeaza un spectrum continuum de unitati structurale, functionale, si cu complexitate progresiva (Odum, 1993). Din punct de vedere biologic masa biotica prezinta 9 nivele de integrare si organizare (celula este considerata ca o unitate structurala si functionala fundamentala a viului). Organismul este forma superioara de organizare a materiei la nivel biologic, dar în acelasi timp el este si unitate structurala si functionala fundamentala a ecosistemului. Din punct de vedere ecologic sunt semnificative 5 nivele de ierarhizare (Fig. 2-2).

Aceasta ierarhizare defineste constituirea unor nivele de integrare Nivelele de integrare sunt o caracteristica atât a lumii vii cât si a lumii nevii. Organizarea ierarhizata este o abordare clasificata pentru întelegerea complexitatii lumii vii si nevii (Odum, 1993). Ierarhizare este asadar o aranjare în serie gradata a structurilor. Iata comparativ modele din biologie, ecologie, societate (modif. dupa Odum 1993):

Analiza sistemica în ecologie s-a amplificat imediat dupa ce Tansley (1935) elaborase conceptul de ecosistem. Acelasi concept a mai fost denumit si biogeocenoza (Sukacev 1964), dar etimologia cuvântului nu evidentiaza conceptul de sistem. Denumirea de ecosistem, deja includea conceptul de sistem alaturi de cel de ecologie. Progresiv cercetarile sistemice în ecologie au dat nastere la ceea ce se numeste ecologia sistemelor (Odum 1975; Braat 1995).

In perioada recenta analiza sistemelor în ecologie s-a orientat spre doua niveluri de integrare ale biosistemelor. "Primul se refera la ecologia ecosistemelor iar cel de al doilea este mult mai ambitios si se refera la ecologia sistemelor om-natura" (Braat 1995).

Fig. 2-2. Nivele de organizare si ierarhizare a materiei vii la nivel biologic si ecologic (dupa Miller 2006).