Elemente de teorie
a sistemelor biologice
Un sistem este definit în "Enciclopedia universala" ca fiind un ansamblu de fenomene si evenimente independente care este extras din lumea exterioara printr-o actiune intelectuala arbitrara, vizându-se tratarea acestui ansamblu cu un întreg (tot unitar).
În aceasta definitie, referirea la lumea exterioara presupune faptul ca un sistem real nu poate fi exista izolat, ci el trebuie sa apartina unui sistem mai cuprinzator în cadrul caruia are anumite atributii. De asemenea, un sistem presupune existenta unui ansamblu de elemente (de obicei, alte sisteme sau subsisteme) componente care sunt în corelatie în scopul asigurarii functionalitatii întregului.
De aceea, putem denumi sistemul ca fiind un ansamblu de parti sau componente interconectate prin legaturi functionale. Aceste legaturi (conexiuni) implica miscare si evolutie, elemente care sunt perfect sesizabile în cazul sistemelor particulare pe care le denumim sisteme biologice si care le confera acestora câteva categorii de proprietati.
Una din principalele proprietati ale sistemelor biologice este aceea ca elementele componente ale unor astfel de sisteme depind unul de altul în ceea ce priveste atât functionarea cât si evolutia acestora.
Elementul fundamental al manifestarii vietii este reprezentat de individul biologic, deci de organism. Pornind de la aceasta premisa, sistemele biologice se pot clasifica în:
sisteme biologice individuale, reprezentate de organismele vii;
sisteme biologice supraindividuale, care includ mai multe organisme:
populatii, daca organismele componente au o origine comuna (apartin aceleiasi specii);
comunitati sau biocenoze, în cazul în care organismele apartin unor specii 22122i813w diferite de plante si animale;
biosfera, care este alcatuita de totalitatea ecosistemelor complexe ale Pamântului, care împreuna contin toate formele sub care se manifesta viata.
Toate sistemele biologice supraindividuale sunt formate dintr-un numar variabil de organisme (indivizi) între care exista conexiuni reciproce de natura genetica, structurala, functionala sau spatiala. Aceste tipuri de sisteme biologice în relatie cu substratul pe care se manifesta constituie obiectul general de studiu ecologic.
Ansamblul elementelor componente ale unui sistem supraindividual poate fi imaginat si reprezentat sub forma unei organigrame de interactiuni (figura 1).
În organigrama, subsistemele (elementele componente) sunt desemnate prin litere, iar interactiunile dintre sau la nivelul acestora prin diferite tipuri de sageti: liniile continue desemneaza actiunile directe, liniile discontinue indica prezenta unor actiuni indirecte, liniile curbe indica actiunea unui element supra lui însusi.
De asemenea, actiunea se poate manifesta între elementele sistemului într-un singur sens sau în ambele sensuri. Cele cinci compartimente ale schemei sunt figurate diferit, pentru a reprezenta faptul ca elementele componente ale sistemului pot fi si deferite (nu sunt neaparat identice).
Fig. 1. Schema unei organigrame de interactiuni
În figura de mai sus sunt reprezentate tipurile de actiuni si sensul acestora, dar nu este evidentiata nici intensitatea actiunii si nici "viteza", rapiditatea acesteia, elemente cu o semnificatie deosebita pentru functionalitatea sistemului.
Din acest punct de vedere se pot diferentia doua tipuri de actiuni: actiuni "puternice" si actiuni "slabe" (Frontier si Pichod-Viale, 1991). Deosebirea dintre aceste doua categorii de actiuni este reliefata de modalitatea prin care se masoara intensitatea si viteza actiunii. Se pot distinge astfel doua aspecte.
Gradul de determinare a unei variabile ce caracterizeaza un compartiment (element, subsistem) al sistemului prin intermediul altui compartiment.
În termeni statistici, "forta" de actiune a compartimentului A asupra compartimentului B poate fi masurata prin proportia variatiei compartimentului B datorata variatiilor compartimentului A. Conform teoriei informatiei se poate aprecia cantitatea de informatie transmisa de la compartimentul B catre compartimentul A.
Durata actiunii
În mod obisnuit, actiunea indirecta este caracterizata de un timp mai mare de realizare, în comparatie cu durata de realizare a unei actiuni directe, deoarece actiunea indirecta presupune faze sau etape intermediare ceea ce mareste durata de finalizare a acesteia. Se poate presupune deci, ca o astfel de actiune, derulata pe un interval mai larg, este de regula o actiune "slaba".
La nivelul ecosistemelor, sisteme cu o complexitate deosebita, tendinta informatiei este de a se disipa si disemina pe diverse parcursuri simultane. Reprezentarea prin intermediul diagramelor devine astfel mai complicata, pe de-o parte datorita numarului mare de compartimente, dar si datorita numarului crescut de reprezentari ale actiunilor prin intermediul sagetilor. Vom avea astfel retele foarte complexe de interactiuni, evident, mai dificil de studiat.
Studiul retelelor complexe de interactiuni din cadrul ecosistemelor este realizat într-un mod mai facil de aplicarea teoriei grafurilor, care permite analiza unei retele prin intermediul unor termeni specifici ca "bucle" si "noduri", fapt ce permite deductia logica a unui numar mare de
proprietati, care altfel ar fi dificil de relevat.
Una din aceste proprietati este tranzitivitatea. În principiu, tranzitivitatea presupune urmatorul rationament: daca un element A actioneaza asupra elementului B, iar elementul B va actiona asupra unui alt element notat cu C, rezulta ca elementul A actioneaza (în mod indirect) si asupra elementului C. Dupa cum se observa, tranzitivitatea presupune o actiune indirecta, adica o actiune "slaba", incapabila, de regula, sa conserve caracteristicile de forta si viteza ale actiunii initiale (actiunea lui A asupra lui B).
Teoria informatiei lansata de Shannon (1948) si utilizarea notiunii de "cantitate de informati", a permis atribuirea unei valori precise "fortei" unei interactiuni. Ca urmare se poate considera ca un element A va adune mai multa informatie unui element B, daca functionarea si evolutia elementului B depinde într-o mai mare masura de variatiile elementului A, mai exact de variatiile elementului A percepute de elementul B.
Studiul retelelor de actiuni si interactiuni, care sa includa si evaluarea performantelor acestora poate fi interpretat ca o analiza a gestiunii informatiei într-un ecosistem.
Închiderea tranzitiva a unei retele reprezinta ansamblul interactiunilor directe stabilite prin conceptualizarea retelei precum si al actiunilor indirecte pe care acestea le provoaca. De aceea, un ecosistem poate fi definit ca fiind "închiderea tranzitiva a unei retele de interactiuni între populatiile vii si mediu".
2.1. Caracteristicile generale
ale sistemelor biologice
Materia vie este organizata sub forma sistemelor biologice de diferite grade de complexitate, fapt ce permite ierarhizarea acestora plecând de la criteriul universalitatii. Cu alte cuvinte, totalitatea sistemelor biologice aflate pe acelasi nivel de organizare cuprinde întreaga materie vie, iar un nivel de organizare a materiei vii nu este altceva decât ansamblul sistemelor vii echivalente.
Din acest punct de vedere, se identifica urmatoarele nivele de organizare ierarhica a materiei vii:
Nivelul individual, care include toate biosistemele reprezentate de organismele animale sau vegetale, toti indivizii biologici, indiferent de gradul lor de evolutie.
Nivelul populational, ocupat de sistemele supraindividuale, populatii de plante sau animale care apartin aceleiasi specii, sau care se confunda cu specia.
Nivelul biocenotic, reprezentat de comunitati de plante si animale (biocenoze), care se comporta ca sisteme biologice complexe.
Nivelul biomic, pe care se situeaza sisteme de o complexitate superioara (biomi), formate de asociatii de biocenoze adiacente aflate în interactiune.
Nivelul biosferei, reprezentat de ansamblul vietii pe Pamânt, adica de sistemul biosferei.
Sistemul biologic individual ne este altceva decât individul biologic, organismul viu. El este forma elementara si în acelasi timp universala de manifestare a vietii. La nivelul acestui biosistem se manifesta legea specifica organismului biologic si anume, metabolismul, care în esenta este procesul prin care materia patrunsa în organism este transformata de catre acesta în substanta proprie si datorita caruia individul biologic poate exista, dezvolta si creste.
Studiul biochimic al transformarilor diferitelor substante patrunse în organism s-a realizat relativ târziu (1930) când datorita metodei stabilite de Stern si Nanney, s-a reusit urmarirea proceselor parcurse de anumiti compusi metabolici importanti la nivelul organismului. Importanta acestor cercetari a constat în faptul ca s-a observat ca organismul nu este sub toate aspectele o entitate "statica".
Chiar si celulele cu stabilitate recunoscuta cum sunt cele nervoase sau musculare îsi reînnoiesc total majoritatea componentelor pe parcursul existentei lor, utilizând alte molecule. Acest dinamism al componentelor organismului se manifesta si la nivelul aminoacizilor, care îsi schimba permanent atomii si gruparile chimice mici.
Din acest motiv, organismul nu este "ceva definitiv". El poate avea periodic o compozitie complet diferita sub aspect micromolecular, fapt care se datoreaza manifestarii metabolismului. Pentru a se evidentia si masura intrarile si iesirile de materie si energie, deci bugetul energetic al organismului este clasic experimentul realizat de Lavoisier, care a studiat pe cobai schimburile gazoase si energetice.
Rezultatul a fost demonstratia ca prin metabolizarea unui mol de glucide, un organism animal produce aceeasi cantitate de caldura (energie) si dioxid de carbon (materie) si necesita aceeasi cantitate de oxigen pentru realizarea "arderii" metabolice ca si în cazul combustiei la flacara a aceleiasi cantitati de glucide.
Sistemul populational
Din punct de vedere ecologic, populatia reprezinta de un grup de indivizi apartinând aceleiasi specii care ocupa acelasi areal. În principiu, o specie este reprezentata de cel putin una ( caz în care populatia si specia se confunda), sau mai multe populatii.
Desi populatiile sunt unice într-un anumit sens, ele au caracteristici generale, diferite de ale indivizilor care intra în componenta sa cum sunt anumite relatii ce se stabilesc între indivizii aceleiasi populatii (relatii intraspecifice), o anumita structura a efectivului populatiei (structura de sexe, structura de vârste), un mod de functionare specific, o anumita durata de activitate (longevitate specifica).
La nivelul populatiei se manifesta selectia naturala si deci adaptarea speciilor la fluctuatiile factorilor de mediu. Izolarea populatiilor poate determina local aparitia unor caracteristici specifice care se pot dovedi utile pentru specie.
De asemenea la nivelul populatiei se manifesta tendinta dispersiei indivizilor din zonele cu densitate crescuta spre locatii cu o mai mica densitate. O alta caracteristica a populatiei este asa numita capacitate de suport, ceea reprezinta de fapt media numarului maxim de indivizi pe care o populatie îl poate atinge în anumite conditii date.
Studiile de dinamica si genetica a populatiilor, în particular efectele ereditatii si evolutiei populatiei, sunt extrem de importante pentru activitate umana de interventie în ecosistemele naturale sau artificiale.
Biocenoza sau comunitatea de plante si animale
Biocenoza este sistemul biologic supraindividual care presupune coexistenta într-un anumit areal a unor populatii diferite de plante, animale si microorganisme, diferentiate functional si în acelasi timp interdependente, la nivelul caruia se manifesta o caracteristica fundamentala si anume, existenta relatiilor interspecifice. Biocenoza reprezinta componenta vie a ecosistemului.
La nivelul biocenozei, ca rezultat al relatiilor dintre specii sau populatii ale diferitelor specii, se manifesta o alta caracteristica a acestui tip de sistem biologic si anume productivitatea biologica.
Biomul este o comunitate biotica caracterizata prin existenta unor populatii dominante de plante si animale, traiesc într-un anumit climat specific de regula unor zone geografice mai extinse. Biomul poate fi privit ca o asociatie de biocenoze adiacente din punct de vedere geografic ceea ce le confera particularitati distincte. Deoarece, initial definirea biomului a fost aceea de "formatiuni (asociatii) vegetale", majoritatea biomilor sunt denumiti dupa tipul vegetatiei dominante.
Influentati de latitudinea si altitudinea geografice, de temperatura si regimul precipitatiilor, biomii terestri sunt diferiti si includ variate tipuri de paduri, întinderi ierboase (savana, stepa, tundra etc.) si zone desertice. Acesti biomi includ de asemenea comunitatile specifice bazinelor acvatice incluse (lacuri, balti, mlastini, zone umede).
Desi aceste asociatii de ecosisteme s-au format în zone geografice distincte, exista unele similaritati ca urmare a selectiei naturale.
Diversitatea speciilor de animale, precum si a speciilor vegetale subdominante, care sunt de regula caracteristice fiecarui biom, este controlata de conditiile de mediu si de productivitatea vegetatiei dominante. În general, diversitatea speciilor este mai mare daca productia primara neta este suficient de mare si exista conditii favorabile de umiditate si temperatura.
Adaptarea speciilor si specializarea niselor trofice pot fi observate foarte bine la nivelul biomilor. Organismele care ocupa nise trofice asemanatoare, în ecosisteme similare dar separate geografic, apartin unor specii 22122i813w diferite care au dezvoltat însa adaptari similare, ca raspuns la modificarea similara a factorilor de mediu.
Principalele tipuri de biomi sunt urmatoarele:
Tundra arctica si alpina
Tundra este un biom caracterizat de o vegetatie din care lipsesc arborii si arbustii de talie mare, dar în care exista plante de talie mica, iar suprafata solului este umeda si are o structura spongioasa, larg raspândit în jurul latitudinii nordice de 60 grade. În adâncime, de câtiva centimetri pâna la câtiva metri, în functie de zona geografica si evolutia temperaturii, solul este înghetat permanent alcatuind asa numitul permafrost. Astfel se explica absenta plantelor cu radacini viguroase (arbori, arbusti etc.).
În cadrul acestui tip de biom atât precipitatiile cât si procesul de evaporare au valori minime, iar în majoritatea zonelor temperatura medie în sezonul cald nu depaseste 100C. Chiar în sezonul umed, valoarea precipitatiilor nu este mai mare de 25 mm, dar suprafata solului este deseori saturata cu apa datorita ratei extrem de scazute a evapotranspiratiei.
Diversitatea speciilor care populeaza tundra este scazuta. Plantele sunt reprezentate de câteva specii de arbusti pitici, câteva specii de plante ierboase, specii de plate cu flori, dintre care cele mai comune apartin familiei Cyperaceae, muschi si licheni. Plantele cele mai caracteristice tundrei sunt lichenii, de tipul asa numitei "iarba renului" (Cladonia sp.). Lichenii sunt plante mici, verzi, nevascularizate care apartin clasei Musci , filumul Bryophyta.
Mamiferele sunt reprezentate de ierbivore ca renii, boul moscat, mamifere din familia Leporidae, genul Lepus (asemanatoare cu iepurii, dar cu urechile si picioarele mai mari), rozatoare ale genului Microtus (asemanatoare cu sobolanii) si lemingi (rozatoare apartinând genului Lemmus). Dintre speciile carnivore mai frecvente sunt vulpea arctica, ursul polar si lupii. Atât reptilele cât si amfibienii sun slab reprezentate sau lipsesc datorita temperaturilor scazute. Tundra alpina este în oarecare masura similara tundrei arctice, dar lipseste permafrostul iar suprafata solului nu este la fel de umeda, datorita unei drenari mai bune a apei.
Padurile boreale de conifere
Acest biom este reprezentat de paduri umede si reci de conifere (sau taiga) care se întind pe suprafete vaste, pe mai multe continente, între paralelele de 45 si 57 grade latitudine nordica. Climatul este rece si foarte rece cu un surplus de umezeala în timpul verii. Vegetatia predominanta este reprezentata de diferite specii de conifere dintre care cele mai comune sunt: Picea glauca, Abies balsamea, Pinus resinosa, Pinus strobus, Picea mariana, Pinus contorta, Pinus ponderosa etc.). Datorita ecranarii energiei luminoase, plantele situate pe verticala la nivelul inferior sunt mai slab reprezentate.
Solul padurilor boreale este caracterizat de o litiera adânca si o descompunere lenta a materiei organice datorita temperaturilor scazute, este un sol acid, cu un deficit de substante minerale datorita mineralizarii lente si a faptului ca apa de precipitatii antreneaza si îndeparteaza majoritatea mineralelor.
Padurile de foioase din zonele temperate
Acest biom este caracterizat de un climat moderat si arbori cu frunze cazatoare (foiase). Datorita conditiilor climatice favorabile, aceste tipuri de paduri au fost extrem de mult reduse ca suprafata, ca urmare a interventiei umane prin transformarea lor în zone agricole sau zone urbane. Plantele dominante apartin urmatoarelor specii: Acer sp., Fagus sp., Quercus sp., Carya sp., Populus sp., Ulmus sp., Salix sp. etc.
Plantele aflate la nivelurile inferioare coronamentului arborilor sunt bine dezvoltate si diversificate ca specii. De asemenea, fauna este bine reprezentata de ierbivore, carnivore si unele specii de reptile si amfibieni. Solul este relativ fertil cu o litiera subtire, datorita procesului rapid de descompunere a materiei organice.
Zonele ierboase (grasslands
Aceasta categorie defineste un biom caracterizat prin prezenta si abundenta vegetatiei ierboase înalte sau mai putin înalte. În Europa si Asia denumirea acestor zone este stepa iar în America de Sud acest tip de biom se numeste pampas.
Înainte de interventia omului, preeriile cu iarba înalta erau formate mai ales din specii de Andropogon sp. care alcatuiau dense zone ierboase cu înaltimi cuprinse între 1,5 si 2 metri. În zonele cu precipitatii mai reduse, predomina o specie de numai câtiva centimetri înaltime, Buchloe dactyloides ("iarba bizonului").
Solul este de obicei foarte fertil, cu o pondere mare a cernoziomurilor. În zonele mai uscate ale acestor biomi, fertilitatea solurilor poate fi influentata de salinitate. Fertilitatea acestor ecosisteme a determinat exploatarea unor mari întinderi pentru culturi agricole cerealiere, care suporta o umiditate mai scazuta.
Mamiferele sunt reprezentate de ierbivore mici si rozatoare, precum si de ierbivore de talie mare si diferite specii de carnivore. Multe din aceste specii sunt amenintate de distrugerea habitatului datorita extinderii culturilor agricole iar câteva sunt chiar pe cale de disparitie.
Desertul
Forma tipica de desert este definita de existenta unei vegetatii slabe si dispersate alcatuita mai ales din specii de arbusti. Cele mai importante biomuri desertice sunt localizate între paralelele de 25 si 35 grade latitudine nordica si sudica, de regula, în interiorul continentelor.
Existenta deserturilor este conditionata climatic si se datoreaza în mare parte prezentei curentilor de aer descendenti ce limiteaza formarea precipitatiilor, care în cele mai multe zone desertice nu depasesc valoarea anuala de 25 milimetri.
În cazul în care precipitatiile sunt aproape absente, vegetatia poate lipsi în totalitate în unele zone desertice. Acolo unde exista, vegetatia este reprezentata de arbusti rezistenti la seceta (Larrea divaricata, Artemisia tridentata etc.) si plante suculente capabile sa pastreze apa, de genul cactusilor.
Cele mai multe mamifere de desert sunt specii nocturne care astfel evita caldura excesiva din timpul zilei. Sunt bine reprezentate diferite reptile (sopârle si serpi) care sunt specii poichiloterme, precum si de unele insecte.
Chaparral-ul (padurea sclerofila, sau zona cu vegetatie saraca de tip mediteranean).
Acest tip de biom are o distributie spatiala particulara fiind prezent în zone limitate între 32 si 40 grade latitudine nordica si sudica, de obicei, pe coastele vestice ale continentelor. În aceste zone se manifesta un climat uscat, datorat zonei de subtropicale de înalta presiune, ce dureaza o buna parte a anului, din primavara pâna toamna târziu.
Precipitatiile sunt prezente mai ales în lunile de iarna si sunt datorate deplasarii frontului polar si asocierii acestuia cu furtunile cicloanelor de latitudine medie. Media anuala a precipitatiilor este de 300 pâna la 750 milimetri pluviometrici, iar majoritatea acestor precipitatii cad într-o perioada scurta de timp (2 - 4 luni).
Acest climat foarte special, determina ca vegetatia existenta sa dezvolte o serie de adaptari speciale pentru a rezista secetei si focurilor naturale frecvente. Se întâlnesc specii de arbori si arbusti de talie redusa care nu îsi pierd frunzele în sezonul secetos.
Climatul uscat nu faciliteaza descompunerea materiei organice în sol si eliberarea mineralelor, ceea ce reduce mult fertilitatea solului si deci nu permite plantelor sa produca frunze noi la începutul sezonului (asa cum se întâmpla la plantele foioase veritabile). Frunzele plantelor care traiesc si caracterizeaza acest biom sunt însa foarte rezistente la conditiile de seceta.
Speciile de plante reprezentative sunt maslinul (Olea europea), eucaliptul, acacia, pinul maritim (Pinus pinaster), stejarul pitic (Quercus dumosa) si specii asemanatoare (Quercus suber, Quercus virginiana). Cele mai multe specii prezinta spini, cu rol de aparare împotriva ierbivorelor).
Savana tropicala
Savanele tropicale sunt zone ierboase în care se gasesc cu o densitate redusa arbori si arbusti rezistenti la seceta care nu au de obicei înaltimi mai mari de 10 metri. Din punct de vedere climatic aceste zone sunt caracterizate de un sezon umed si un sezon secetos cu temperaturi ridicate pe tot parcursul anului.
Savanele ocupa suprafete foarte mari în estul Africii, America de sud si Australia. Vegetatia acestora asigura sursa de hrana pentru o mare diversitate de animale ierbivore, pe seama carora exista o varietate crescuta de specii carnivore.
Padurile umede tropicale si ecuatoriale
Acest tip de biom se întâlneste într-o zona larga în jurul Ecuatorului, în care temperatura si umiditatea sunt relativ crescute pe tot parcursul anului. Precipitatiile sunt mai mari de 2000 pâna la 2500 milimetri si sunt de regula prezente pe tot parcursul anului.
Vegetatia este foarte abundenta si diversificata astfel încât un kilometru patrat poate contine pâna la 100 de specii diferite de arbori. Pentru comparatie, pe aceeasi suprafata, în zonele temperate exista 3 sau 4 specii de arbori. Densitatea acestei paduri este mare, iar înaltimea arborilor este frecvent de 25-30 metri, unele specii având înaltimi de pâna la 40 metri.
Padurea umeda tropicala "ascunde" de asemenea o mare varietate de animale. Se presupune ca 30 - 50% din toate speciile de animale de pe planeta se întâlnesc în acest tip de biom.
Chiar mediul marin si oceanic este considerat de catre unii ecologi ca având în structura lui biomi cum ar fi: largul oceanului, zonele litorale, zonele bentale, tarmurile stâncoase sau nisipoase, estuarele sau zonele mlastinoase asociate mareelor.
|
