Elemente de teorie
a sistemelor biologice
Un sistem este definit īn "Enciclopedia universala" ca fiind un ansamblu de fenomene si evenimente independente care este extras din lumea exterioara printr-o actiune intelectuala arbitrara, vizāndu-se tratarea acestui ansamblu cu un īntreg (tot unitar).
Īn 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 īn cadrul caruia are anumite atributii. De asemenea, un sistem presupune existenta unui ansamblu de elemente (de obicei, alte sisteme sau subsisteme) componente care sunt īn corelatie īn scopul asigurarii functionalitatii īntregului.
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 īn cazul sistemelor particulare pe care le denumim sisteme biologice si care le confera acestora cāteva categorii de proprietati.
Una din principalele proprietati ale sistemelor biologice este aceea ca elementele componente ale unor astfel de sisteme depind unul de altul īn ceea ce priveste atāt functionarea cāt 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 īn:
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, īn cazul īn care organismele apartin unor specii 22122i813w diferite de plante si animale;
biosfera, care este alcatuita de totalitatea ecosistemelor complexe ale Pamāntului, care īmpreuna contin toate formele sub care se manifesta viata.
Toate sistemele biologice supraindividuale sunt formate dintr-un numar variabil de organisme (indivizi) īntre care exista conexiuni reciproce de natura genetica, structurala, functionala sau spatiala. Aceste tipuri de sisteme biologice īn 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).
Īn 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 īnsusi.
De asemenea, actiunea se poate manifesta īntre elementele sistemului īntr-un singur sens sau īn 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
Īn 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.
Īn 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
Īn mod obisnuit, actiunea indirecta este caracterizata de un timp mai mare de realizare, īn 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 īntr-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. Īn 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 (īn 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 īntr-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 īntr-un ecosistem.
Īnchiderea 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 "īnchiderea tranzitiva a unei retele de interactiuni īntre 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 plecānd de la criteriul universalitatii. Cu alte cuvinte, totalitatea sistemelor biologice aflate pe acelasi nivel de organizare cuprinde īntreaga materie vie, iar un nivel de organizare a materiei vii nu este altceva decāt 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 īn interactiune.
Nivelul biosferei, reprezentat de ansamblul vietii pe Pamānt, adica de sistemul biosferei.
Sistemul biologic individual ne este altceva decāt individul biologic, organismul viu. El este forma elementara si īn acelasi timp universala de manifestare a vietii. La nivelul acestui biosistem se manifesta legea specifica organismului biologic si anume, metabolismul, care īn esenta este procesul prin care materia patrunsa īn organism este transformata de catre acesta īn substanta proprie si datorita caruia individul biologic poate exista, dezvolta si creste.
Studiul biochimic al transformarilor diferitelor substante patrunse īn organism s-a realizat relativ tārziu (1930) cānd 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 īn 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 īsi reīnnoiesc total majoritatea componentelor pe parcursul existentei lor, utilizānd alte molecule. Acest dinamism al componentelor organismului se manifesta si la nivelul aminoacizilor, care īsi 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 īn cazul combustiei la flacara a aceleiasi cantitati de glucide.
Sistemul populational
Din punct de vedere ecologic, populatia reprezinta de un grup de indivizi apartinānd aceleiasi specii care ocupa acelasi areal. Īn principiu, o specie este reprezentata de cel putin una ( caz īn care populatia si specia se confunda), sau mai multe populatii.
Desi populatiile sunt unice īntr-un anumit sens, ele au caracteristici generale, diferite de ale indivizilor care intra īn componenta sa cum sunt anumite relatii ce se stabilesc īntre indivizii aceleiasi populatii (relatii intraspecifice), o anumita structura a efectivului populatiei (structura de sexe, structura de vārste), 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 īl poate atinge īn anumite conditii date.
Studiile de dinamica si genetica a populatiilor, īn particular efectele ereditatii si evolutiei populatiei, sunt extrem de importante pentru activitate umana de interventie īn ecosistemele naturale sau artificiale.
Biocenoza sau comunitatea de plante si animale
Biocenoza este sistemul biologic supraindividual care presupune coexistenta īntr-un anumit areal a unor populatii diferite de plante, animale si microorganisme, diferentiate functional si īn 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 īntr-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, īntinderi 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 īn 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. Īn 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, īn ecosisteme similare dar separate geografic, apartin unor specii 22122i813w diferite care au dezvoltat īnsa 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 īn care exista plante de talie mica, iar suprafata solului este umeda si are o structura spongioasa, larg raspāndit īn jurul latitudinii nordice de 60 grade. Īn adāncime, de cātiva centimetri pāna la cātiva metri, īn functie de zona geografica si evolutia temperaturii, solul este īnghetat permanent alcatuind asa numitul permafrost. Astfel se explica absenta plantelor cu radacini viguroase (arbori, arbusti etc.).
Īn cadrul acestui tip de biom atāt precipitatiile cāt si procesul de evaporare au valori minime, iar īn majoritatea zonelor temperatura medie īn sezonul cald nu depaseste 100C. Chiar īn 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 cāteva specii de arbusti pitici, cāteva 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 apartinānd genului Lemmus). Dintre speciile carnivore mai frecvente sunt vulpea arctica, ursul polar si lupii. Atāt reptilele cāt si amfibienii sun slab reprezentate sau lipsesc datorita temperaturilor scazute. Tundra alpina este īn 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 īntind pe suprafete vaste, pe mai multe continente, īntre paralelele de 45 si 57 grade latitudine nordica. Climatul este rece si foarte rece cu un surplus de umezeala īn 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 adānca 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 īndeparteaza 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 īn 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 īnalte sau mai putin īnalte. Īn Europa si Asia denumirea acestor zone este stepa iar īn America de Sud acest tip de biom se numeste pampas.
Īnainte de interventia omului, preeriile cu iarba īnalta erau formate mai ales din specii de Andropogon sp. care alcatuiau dense zone ierboase cu īnaltimi cuprinse īntre 1,5 si 2 metri. Īn zonele cu precipitatii mai reduse, predomina o specie de numai cātiva centimetri īnaltime, Buchloe dactyloides ("iarba bizonului").
Solul este de obicei foarte fertil, cu o pondere mare a cernoziomurilor. Īn zonele mai uscate ale acestor biomi, fertilitatea solurilor poate fi influentata de salinitate. Fertilitatea acestor ecosisteme a determinat exploatarea unor mari īntinderi 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 cāteva 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 īntre paralelele de 25 si 35 grade latitudine nordica si sudica, de regula, īn interiorul continentelor.
Existenta deserturilor este conditionata climatic si se datoreaza īn mare parte prezentei curentilor de aer descendenti ce limiteaza formarea precipitatiilor, care īn cele mai multe zone desertice nu depasesc valoarea anuala de 25 milimetri.
Īn cazul īn care precipitatiile sunt aproape absente, vegetatia poate lipsi īn totalitate īn 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 (sopārle 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 īn zone limitate īntre 32 si 40 grade latitudine nordica si sudica, de obicei, pe coastele vestice ale continentelor. Īn aceste zone se manifesta un climat uscat, datorat zonei de subtropicale de īnalta presiune, ce dureaza o buna parte a anului, din primavara pāna toamna tārziu.
Precipitatiile sunt prezente mai ales īn 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 pāna la 750 milimetri pluviometrici, iar majoritatea acestor precipitatii cad īntr-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 īntālnesc specii de arbori si arbusti de talie redusa care nu īsi pierd frunzele īn sezonul secetos.
Climatul uscat nu faciliteaza descompunerea materiei organice īn sol si eliberarea mineralelor, ceea ce reduce mult fertilitatea solului si deci nu permite plantelor sa produca frunze noi la īnceputul sezonului (asa cum se īntāmpla la plantele foioase veritabile). Frunzele plantelor care traiesc si caracterizeaza acest biom sunt īnsa 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 īmpotriva ierbivorelor).
Savana tropicala
Savanele tropicale sunt zone ierboase īn care se gasesc cu o densitate redusa arbori si arbusti rezistenti la seceta care nu au de obicei īnaltimi 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 īn 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 īntālneste īntr-o zona larga īn jurul Ecuatorului, īn care temperatura si umiditatea sunt relativ crescute pe tot parcursul anului. Precipitatiile sunt mai mari de 2000 pāna la 2500 milimetri si sunt de regula prezente pe tot parcursul anului.
Vegetatia este foarte abundenta si diversificata astfel īncāt un kilometru patrat poate contine pāna la 100 de specii diferite de arbori. Pentru comparatie, pe aceeasi suprafata, īn zonele temperate exista 3 sau 4 specii de arbori. Densitatea acestei paduri este mare, iar īnaltimea arborilor este frecvent de 25-30 metri, unele specii avānd īnaltimi de pāna 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 īntālnesc īn acest tip de biom.
Chiar mediul marin si oceanic este considerat de catre unii ecologi ca avānd īn structura lui biomi cum ar fi: largul oceanului, zonele litorale, zonele bentale, tarmurile stāncoase sau nisipoase, estuarele sau zonele mlastinoase asociate mareelor.
|
