Синергетичні підходи до оцінки структури, розвитку і стійкості біотопів та проблеми прогнозування їх змін (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 29 жовтня 2014 р.)

Синергетичні підходи до оцінки структури, розвитку і стійкості біотопів та проблеми прогнозування їх змін (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 29 жовтня 2014 р.)

Розв’язання складних екологічних проблем у контексті переходу на засади сталого розвитку вимагає застосування нових термодинамічних, синергетичних підходів, в основі яких лежить теорія нелінійності, використання якої потребує переведення якісних характеристик екосистем у кількісні одиниці. Розроб...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2014
Автор: Дідух, Я.П.
Формат: Стаття
Мова:Ukrainian
Опубліковано: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2014
Назва видання:Вісник НАН України
Теми:
З кафедри Президії НАН України
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/73432
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Синергетичні підходи до оцінки структури, розвитку і стійкості біотопів та проблеми прогнозування їх змін (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 29 жовтня 2014 р.) / Я.П. Дідух // Вісн. НАН України. — 2014. — № 12. — С. 29-38.— Бібліогр.: 15 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-73432
record_format dspace
spelling irk-123456789-734322015-01-10T03:02:00Z Синергетичні підходи до оцінки структури, розвитку і стійкості біотопів та проблеми прогнозування їх змін (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 29 жовтня 2014 р.) Дідух, Я.П. З кафедри Президії НАН України Розв’язання складних екологічних проблем у контексті переходу на засади сталого розвитку вимагає застосування нових термодинамічних, синергетичних підходів, в основі яких лежить теорія нелінійності, використання якої потребує переведення якісних характеристик екосистем у кількісні одиниці. Розроблена автором методика синфітоіндикації дає змогу застосувати ряд сучасних математичних методів і оцінити характер залежності між зміною екофакторів та біотопів. На основі понять теорії фракталів і теорії катастроф розглянуто проблеми структуризації, розвитку (сукцесії, синеволюції), характер трансформації енергії степових і лісових екосистем, а також їх охорони. Розкрито проблеми інвазії видів та всихання ялинників Карпат у контексті кліматичних змін. Решение сложных экологических проблем в контексте перехода на позиции устойчивого развития предполагает использование новых термодинамических, синергетических подходов, в основе которых лежит теория нелинейности, что требует перевода качественных характеристик экосистем в количественные показатели. Применение разработанной автором методики синфитоиндикации позволяет использовать ряд современных математических методов и оценить характер зависимости между изменением экофакторов и биотопов. На основании понятий теории фракталов и теории катастроф рассмотрены проблемы структуризации, развития (сукцессии, синэволюции), характер трансформации энергии степных и лесных экосистем, а также их охраны. Подняты проблемы инвазии видов и усыхания ельников Карпат в контексте климатических изменений. Solution of complicated ecological problems in the context of change-over to sustainable development requires the appliance of thermodynamic, synergetic approaches based on the theory of non-linearity, which needs conversion of qualitative characteristics of ecological factors to quantitative variables. Application of methodology of synphytoindication developed by the author enables the usage of a large variety of contemporary mathematical methods and the estimation the type of dependence between the change of ecosystems and biotopes. The issues of structuring and development (succession, synevolution) of steppe and forest ecosystems concerning their protection, the character of energy transformation are considered on the basis of notions of fractals and catastrophes. The issues of species invasion and spruce forest drying in the Carpathians as result of climate change are raised. 2014 Article Синергетичні підходи до оцінки структури, розвитку і стійкості біотопів та проблеми прогнозування їх змін (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 29 жовтня 2014 р.) / Я.П. Дідух // Вісн. НАН України. — 2014. — № 12. — С. 29-38.— Бібліогр.: 15 назв. — укр. 0372-6436 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/73432 uk Вісник НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Ukrainian
topic З кафедри Президії НАН України
З кафедри Президії НАН України
spellingShingle З кафедри Президії НАН України
З кафедри Президії НАН України
Дідух, Я.П.
Синергетичні підходи до оцінки структури, розвитку і стійкості біотопів та проблеми прогнозування їх змін (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 29 жовтня 2014 р.)
Вісник НАН України
description Розв’язання складних екологічних проблем у контексті переходу на засади сталого розвитку вимагає застосування нових термодинамічних, синергетичних підходів, в основі яких лежить теорія нелінійності, використання якої потребує переведення якісних характеристик екосистем у кількісні одиниці. Розроблена автором методика синфітоіндикації дає змогу застосувати ряд сучасних математичних методів і оцінити характер залежності між зміною екофакторів та біотопів. На основі понять теорії фракталів і теорії катастроф розглянуто проблеми структуризації, розвитку (сукцесії, синеволюції), характер трансформації енергії степових і лісових екосистем, а також їх охорони. Розкрито проблеми інвазії видів та всихання ялинників Карпат у контексті кліматичних змін.
format Article
author Дідух, Я.П.
author_facet Дідух, Я.П.
author_sort Дідух, Я.П.
title Синергетичні підходи до оцінки структури, розвитку і стійкості біотопів та проблеми прогнозування їх змін (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 29 жовтня 2014 р.)
title_short Синергетичні підходи до оцінки структури, розвитку і стійкості біотопів та проблеми прогнозування їх змін (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 29 жовтня 2014 р.)
title_full Синергетичні підходи до оцінки структури, розвитку і стійкості біотопів та проблеми прогнозування їх змін (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 29 жовтня 2014 р.)
title_fullStr Синергетичні підходи до оцінки структури, розвитку і стійкості біотопів та проблеми прогнозування їх змін (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 29 жовтня 2014 р.)
title_full_unstemmed Синергетичні підходи до оцінки структури, розвитку і стійкості біотопів та проблеми прогнозування їх змін (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 29 жовтня 2014 р.)
title_sort синергетичні підходи до оцінки структури, розвитку і стійкості біотопів та проблеми прогнозування їх змін (за матеріалами наукової доповіді на засіданні президії нан україни 29 жовтня 2014 р.)
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate 2014
topic_facet З кафедри Президії НАН України
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/73432
citation_txt Синергетичні підходи до оцінки структури, розвитку і стійкості біотопів та проблеми прогнозування їх змін (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 29 жовтня 2014 р.) / Я.П. Дідух // Вісн. НАН України. — 2014. — № 12. — С. 29-38.— Бібліогр.: 15 назв. — укр.
series Вісник НАН України
work_keys_str_mv AT díduhâp sinergetičnípídhodidoocínkistrukturirozvitkuístíjkostíbíotopívtaproblemiprognozuvannâíhzmínzamateríalaminaukovoídopovídínazasídanníprezidíínanukraíni29žovtnâ2014r
first_indexed 2025-07-05T22:01:48Z
last_indexed 2025-07-05T22:01:48Z
_version_ 1836846058732257280
fulltext ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 12 29 СИНЕРГЕТИЧНІ ПІДХОДИ ДО ОЦІНКИ СТРУКТУРИ, РОЗВИТКУ І СТІЙКОСТІ БІОТОПІВ ТА ПРОБЛЕМИ ПРОГНОЗУВАННЯ ЇХ ЗМІН За матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 29 жовтня 2014 року Вступ Реалізація положень Конвенції про охорону біологічного різ- номаніття, Рамкової конвенції ООН про зміну клімату та Кон- венції про боротьбу зі спустелюванням, прийнятих на всесвіт- ньому саміті ООН у Ріо-де-Жанейро (1992), потребує створен- ня відповідного плану дій згідно з національною стратегією переходу України на засади сталого розвитку. Хоча таку стра- тегію розробляли й обговорювали на різних рівнях, офіційно її так і не було прийнято. Проте підписання Україною угоди про асоціацію з ЄС неодмінно викличе необхідність її ухвалення. Екологічна складова є одним із ключових питань стратегії сталого розвитку, якому, на жаль, у нас відводять другорядну ДІДУХ Яків Петрович — член-кореспондент НАН України, доктор біологічних наук, професор, завідувач відділу геоботаніки та екології Інституту ботаніки ім. М.Г. Холодного Розв’язання складних екологічних проблем у контексті переходу на засади сталого розвитку вимагає застосування нових термодинамічних, синерге- тичних підходів, в основі яких лежить теорія нелінійності, використання якої потребує переведення якісних характеристик екосистем у кількісні одиниці. Розроблена автором методика синфітоіндикації дає змогу засто- сувати ряд сучасних математичних методів і оцінити характер залеж- ності між зміною екофакторів та біотопів. На основі понять теорії фрак- талів і теорії катастроф розглянуто проблеми структуризації, розвитку (сукцесії, синеволюції), характер трансформації енергії степових і лісових екосистем, а також їх охорони. Розкрито проблеми інвазії видів та всихан- ня ялинників Карпат у контексті кліматичних змін. Ключові слова: термодинаміка, синергетика, енергія, теорія фракталів, теорія катастроф, екосистеми, біотопи, синфітоіндикація, сукцесія. 30 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 12 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ роль. Разом з тим, екологічні проблеми все більше загострюються як у глобальному масш- табі, так і в окремих регіонах, і вирішувати їх стає дедалі важче. Екосистеми мають надто складну структуру, їх стан змінюється стриб- коподібно, причинно-наслідкові зв’язки є не- прямими, мають імовірнісний характер. Це по- требує осмислення, пояснення, особливо сьо- годні, у зв’язку з необхідністю прогнозування природних змін, у тому числі рослинності, під впливом клімату. При цьому постає багато пи- тань, які не можна розв’язати в рамках класич- них підходів, а за відсутності аргументованих відповідей виникає чимало спекуляцій. Отже, для вирішення всіх цих проблем потрібні інші підходи, ніж ті, що використовувалися раніше, інші методології і методи досліджень. Термодинамічні та синергетичні підходи в екології Осмислюючи численні факти, ми дійшли дум- ки про необхідність використання в теорії ор- ганізації та розвитку екосистем термодинаміч- них підходів і відповідних законів, основаних на характеристиках енергії, яку Ю. Одум влуч- но назвав «екологічною валютою» [1]. Енергія як мірило зміни організації характеризується тим, що: 1) є одиниці її вимірювання і обчислення, відомі співвідношення між показниками біо- маси, вуглецю (гумусу), дихання, фотосинтезу тощо; 2) фізичні закони термодинаміки адаптова- ні до відкритих екосистем; 3) на основі енергетичних показників можна оцінити процеси кругообігу речовин, елемен- тів, трофічних ланцюгів (живлення консумен- тів, редуцентів), відомі закони перерозподілу її на різні рівні організації «піраміди енергії»; 4) енергетичні зміни відображують емер- джентні властивості екосистем, тому енерге- тична концепція лежить в основі функціону- вання, розвитку екосистем, їх самоорганізації. Водночас було доведено, що деградація, втрата природних екосистем спричинює при- скорене знищення тих енергетичних запасів, які акумулює біота із сонячної енергії. Межу самовідновлення екосистем, що не повинна перевищувати втрату 1 % чистої первинної продукції біоти, ми перетнули ще на початку ХХ ст., і нині ця величина становить близько 10 %. Це порушило механізми біотичного ре- гулювання, спричинило незворотність, вихід екосистем за межі природних функцій, нарос- тання швидкості деградації процесів, якісних стрибків, негативних явищ турбулентності та наближення до катастрофічного стану. Окремі регіони зазнали деградації, і в них відбувають- ся такі глобальні, незворотні зміни, що зачіпа- ють біосферу в цілому. У зв’язку з цим можна сформулювати такий висновок: під дією антропогенного фактора планета Земля втрачає енергетичні запаси швидше, ніж здатна їх відновлювати. Швидке скорочення цих запасів призвело до енергетич- ної кризи, що виявляється в екологічній, еконо- мічній, політичній сферах, і боротьба за енерге- тичні ресурси виходить на перший план. Тому ключовим питанням є підтримка екологічної рівноваги та запровадження механізмів спо- вільнення деградації довкілля. З огляду на це, головне завдання людства полягає не лише у скороченні антропогенних забруднювальних викидів, а й у збереженні природи планети і за- безпеченні біотичних механізмів регулювання, використання та відтворення екосистем, що ві- дображено в теорії біотичної регуляції [2]. За результатами досліджень енергетичних процесів екосистем учені дійшли висновку, що розвиток екосистем спрямовано на вдоско- налення механізмів накопичення (фіксації) енергії, зменшення ентропії через поліпшення адаптивних властивостей видів, тобто енерге- тичний потенціал є рушійною силою, що ви- значає вектор розвитку екосистем. Такий під- хід дає можливість пов’язати вектор трансфор- мації енергії з еволюційними процесами. Ра- зом з тим, перехід від класичної еволюції видів до еволюції екосистем (синеволюції) дозволяє перейти від законів дарвінівської та синтетич- ної теорії еволюції видів як стохастичного про- цесу з невизначеною генерацією послідовності поколінь до уявлення про те, що саморозвиток ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 12 31 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ екосистем відбувається за певними схемами, стратегіями, як спрямований, векторизований процес [3]. Такий підхід вимагає не лише за- стосування в екології класичних законів тер- модинаміки до неврівноважених систем [4, 5], а й відкриває шлях до використання досягнень тих похідних дисциплін, напрямів, що сформу- валися на основі цієї науки і проникають сьо- годні у сферу не тільки природничих, а також і суспільних наук. Так, у 70-х роках ХХ ст. на основі класичної термодинаміки, системного підходу, кіберне- тики, гештальтпсихології та ін. зародилася синергетика (synergio — співробітництво, спі- вучасть) як наука про теорію самоорганізації систем, процеси їх змінення та розвитку [6, 7]. У математичному плані вона ґрунтується на нелінійних рівняннях, що хоча і набувають широкого застосування в різних сферах при- родничих, технічних, соціальних, економічних наук, однак часто ще далекі від свого практич- ного використання, оскільки біологи й екологи не мають відповідної професійної підготовки, а фахівці в галузі теорії синергетики, що роз- робляють відповідні методи, далекі від при- родних об’єктів. Отже, на нинішньому етапі розвитку екології йдеться не про застосування цих надскладних методів і теорій, а лише про використання синергетичних підходів, оперу- вання відповідними поняттями, уявленнями. Нелінійність розвитку екосистем та її оцінка Сьогодні відбувається філософське осмис- лення і формування загальнонаукової теорії про нелінійність розвитку природи, що є уні- версальною і фундаментальною властивістю, основою буття, визначає розвиток природи, її еволюцію. З цими дослідженнями пов’язаний відповідний спосіб мислення та формування світогляду, що повністю відрізняється від лі- нійного сприйняття, і такий перехід визначає зміну парадигм. Інакше кажучи, сформувалася парадигма нелінійності [8]. Хоча нелінійність часто намагаються протиставити лінійності як щось протилежне, однак, на нашу думку, при відкиданні останньої втрачається конструкти- візм. Тому правильніше було б говорити, що ці поняття не виключають, а доповнюють одне одного. Якщо лінійність указує на тенденції, швидкість, певні закономірності змін, то нелі- нійність відображує різноманітність варіантів розвитку, можливі ситуації, якісні, стрибкопо- дібні зміни тощо. Із законами нелінійності пов’язано багато понять, на основі яких розроблено низку нових методів дослідження та теорій, зокрема методи- ку нелінійної динаміки із застосуванням теорії ймовірностей, теорії дисипативних структур, концепції самоорганізації, теорії фракталів, те- орії біфуркації, теорії флуктуації, теорії атрак- торів, теорії катастроф, теорії хаосу тощо. Усі ці теорії детально розроблені і використовуються в багатьох науках, однак проблема полягає в тому, як на основі цих теоретичних розробок оцінити структурованість, організацію, розви- ток екосистем не лише на словах, а й у кількіс- них величинах, які можна вимірювати, зістав- ляти з іншими, будувати відповідні моделі чи прогнози. Такий підхід потребує застосування кількісних показників вимірювання екофакто- рів, що не завжди можливо. Для цього ми вико- ристали розроблену нами методику синфітоін- дикації, де якісні характеристики екофакторів було оцінено в кількісних (бальних) шкалах [9]. У результаті встановлено кореляцію між зміною мінеральних форм азоту в ґрунті та по- казниками вологості, кислотності, засолення ґрунтів, гідротермічними характеристиками клімату (рис. 1). Отже, термодинамічні підхо- ди в комплексі з методикою синфітоіндикації дають змогу оцінити взаємозалежність між зо- внішніми екофакторами та зміною екосистем у кількісних (цифрових) виразах, що відкриває можливість для застосування сучасних мате- матичних методів і виводить екологічні дослі- дження на більш високий рівень. Осмислення отриманої інформації навело нас на думку, що складні нелінійні процеси слід звести до простіших залежностей. Од- нак виявилося, що такі залежності характерні лише для певного просторово-часового про- міжку і можуть розглядатися як лінійні, а за 32 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 12 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ його межами ця лінійність втрачається. Отже, в кінцевому результаті ми все одно приходимо до висновку щодо нелінійних змін природних процесів, що потребують оцінки форм такої нелінійності. З уявленням про нелінійність тісно пов’язані теорія фрактальності, теорія катастроф тощо. Теорія фракталів, теорія катастроф Сутність теорії фракталів (fractus — дроблений, поламаний, розбитий), розробленої Б. Ман- дельбротом на початку ХХ ст., полягає у спосо- бі оцінювання різних геометричних фігур, час- тини яких нагадують ціле. Йдеться про опис складності конфігурацій, характеру зморшку- ватості, звивистості форм природних об’єктів. З одного боку, такі властивості притаманні різноманітним реально існуючим природним (у тому числі біологічним) об’єктам (окремі крони дерев, кущів, трав, структура популяцій, обриси, контури рослинних угруповань тощо), а з іншого — фрактальність властива сучасним способам моделювання, відображення різних форм структурованості біотичних категорій, закономірностей організації складних систем, взаємозв’язків між елементами (наприклад, побудови дендрограм, структуру яких можна оцінювати з позицій «каскаду подвоєнь», гра- фів, сукцесійних ланок, що будуються за прин- ципом марківських ланцюгів). Інтерпретація цієї структурованості знаходить відображен- ня у відповідних теоріях, як-от теорія графів, теорія марківських ланцюгів тощо, а також у встановлених математичних співвідношеннях, якими описуються численні природні про- цеси та явища (наприклад, золотий перетин, ряд Фібоначчі, золотий кут, який забезпечує Рис. 1. Фрактальне зображення залежності між зміною показників трьох еко- факторів. Hd — вологість ґрунту; Nt — вміст мінеральних форм азоту в ґрунті; Rc — кислотність ґрунту; Om — омброрежим; Tm — терморежим ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 12 33 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ спіральність розвитку і характеризується ру- хом з прискоренням). Зокрема, йдеться і про використання алометричних законів, формул, які відображують відношення різних характе- ристик у процесі їх змінювання і описуються формулою у = ах. Такими є співвідношення між висотою дерев та їх біомасою, об’ємом і площею біотичних об’єктів. Так, розглядаючи різні форми крон, їх мож- на звести до кількох геометричних фігур: куля (або її частина), сегмент, циліндр, конус, пло- щина. Якщо оцінювати ці фігури з енергетич- них позицій, де запаси енергії пропорційні об’єму фігури, а площа відкритої поверхні — енергообміну, то відомо, що найефективнішою є куля, яка має найменше співвідношення між об’ємом та поверхнею (0,33R), що характери- зує таку систему як найстабільнішу (100 %). Тому ідеальна форма крон в умовах відсутності конкуренції та «зрілого віку» близька до кулі. Проте найефективнішою формою з позицій розподілу енергії, що характеризує максималь- ний ріст, є конус, енергетичний потенціал яко- го найнижчий (33,3 %). Це можна простежити на формах крон рослин, які заселяють нові сприятливі біотопи. Зокрема, це чітко спосте- рігається в процесі заселення деревними вида- ми степових біотопів (рис. 2). На законах термодинаміки, синергетики ґрунтуються теорія катастроф і теорія зсувів, що відображують поведінку неврівноважених складних систем, до яких належать і екосисте- ми [10]. Зокрема, розвиток екосистем можна розглядати з позицій рівняння Гельмгольца: U = F + T, де U — внутрішня енергія; F — віль- на енергія; T — зв’язана енергія. Ключовою в розвитку неврівноважених систем є точка бі- фуркації, що визначає такий критичний стан системи, за якого остання виходить з рівно- ваги. Це означає якісну перебудову, перехід від одного типу атракторів до іншого і від- бувається тоді, коли система не може сприй- мати зовнішню енергію, тобто формувати внутрішню енергію (U), а зв’язана енергія (T) перевищує внутрішню (T > U), що спричинює наростання турбулентних процесів, «внутріш- нього хаосу», за якого система не забезпечує формування зворотних зв’язків, а інформація щодо організації її минулого втрачається. Го- ловний постулат теорії катастроф полягає в тому, що система не може існувати в урівно- важеному, стійкому стані, тому вона має від- давати енергію або розпадатися, переходити в якісно інший стан [11]. Зміна екосистеми, зу- мовлена невідповідністю її стану зовнішньому середовищу, визначає спрямованість і темпи подальшого розвитку, що можна розглядати в аспекті теорії зсувів. Напрямок і швидкість, тобто вектор розвитку системи, визначається характером атрактора, що має енергетичну та інформаційну природу. Закономірності розвитку екосистем Розглянувши основні поняття теорій фракта- лів і теорії катастроф, проаналізуємо, як можна застосувати їх для оцінювання розвитку еко- систем, зокрема сукцесій наших степів і лісів. Степові фітосистеми є високоадаптованими до екстремальних, аридних умов, відзначають- ся відносно лабільною, нестійкою структурою, орієнтованою на постійний розвиток відпо- відно до змін зовнішнього середовища. Спе- цифіка їх функціонування полягає у високій активності, значному відчуженні наземної біо- маси і акумуляції енергії в підземній частині, яка перевищує надземну в 2—10 разів (рис. 3). Тобто енергетичний потенціал, що визначає специфіку організації, функціонування і розви- Рис. 2. Ефект конуса при заростанні степів чагарника- ми і характер перерозподілу енергії (106 Дж/м2) 34 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 12 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ тку степових систем, знаходиться в підземній сфері (ґрунт + коренева система). Швидка трансформація енергії забезпечу- ється тим, що в степах домінують злаковники, які, з одного боку, мають розгалужену мичку- вату кореневу систему, а з іншого — інтерка- лярний ріст і при викошуванні чи випасанні добре відростають, відновлюючи фітомасу так, що цей приріст у сумі перевищує надземну фітомасу неушкоджених рослин. Фітомаса у степах наростає, відмирає і швидко розклада- ється, що забезпечує інтенсивний кругообіг. В умовах дефіциту опадів, високого рН ґрунту (>7) підстилка розкладається протягом 9—11 місяців, тому коефіцієнт рециркуляції досить високий (1:0,83 = 1,2), у 2,5—8,5 раза переви- щує такий у лісах і свідчить про високу потуж- ність трансформації енергії (τ = 0,4 Вт/м2). Фі- томаса оновлюється кожні 2—3 роки, тобто в 9 разів швидше, ніж у цілому на суші, і в 14—16 разів швидше, ніж у лісах [12]. Значною мірою це визначає спрямованість розвитку, сукцесії степових екосистем, які істотно залежать від впливу зовнішніх факторів, зокрема едафічних. В умовах абсолютної заповідності накопичен- ня енергії в педосфері досягає певної критич- ної межі, насичення. Енергія, що надходить, не може засвоюватися. Це порушує баланс, тому екосистема має відповідно реагувати: 1) змен- шувати запаси енергії через відчуження біо- маси (випасання, сінокосіння, випалювання підстилки); 2) переводити надлишки енергії в надземний біотичний блок; 3) забезпечувати відкачування енергії у ґрунт через зміну дер- нових процесів на опідзолення. У першому ви- падку трав’янисті екосистеми зберігають свою структуру, у другому й третьому — формуються чагарникові та деревні ценози. Таке заселення відбувається двома шляхами: появою окремих дерев Pyrus communis, Malus praecox, Crataegus sp., Rosa sp., розташованих далеко одне від од- ного (типу савани), і експансією заростей низь- корослих чагарників (Prunus spinosa, Cerasus fruticosa, Amygdalus nana, Caragana frutex), які розширюють свої позиції. Так, ще з кінця 50-х років ХХ ст. на східній окраїні заповідної Михайлівської цілини зростало кілька дріб- них куртин Prunus spinosa, з яких розпочалася його інтенсивна експансія. Уже в 1974 р. В.С. Ткаченко зафіксував три невеликі осередки терену в різних частинах абсолютно заповід- ного степу. Під час геоботанічного картування 1981 р. було виявлено більш як десяток окре- мих куртин цього чагарнику діаметром від 5 до 23 м. У 2001 р. площа під терняками сягала вже 2,02 га, а кількість окремих кущів і дифузно розсіяних окремих екземплярів збільшилася до 32 [13]. Дослідження показали, що за рік радіус кур- тини збільшується на 0,6—1,0 м залежно від аг- рометеорологічних умов. Розрахунки на основі величини діаметра (80 м) куртини, яка утвори- лася впродовж 35 років, показують, що середній приріст діаметра становить 2,22 м на рік. Проведені нами дослідження в Ямському степу (Росія) свідчать, що цей процес пара- лельно супроводжується зміною структури це- нозу, який на периферії характеризується низь- кими (0,5—0,8 м) заростями степових видів Cerasus fruticosa, Amygdalus nana, далі вищими (1,5—3,0 м) заростями Prunus spinosa, Sambucus nigra, Thelycrania sanguine і, нарешті, у центрі куртини панують дерева Pyrus communis, Malus Рис. 3. Порівняльна оцінка енергетичних показників різних компонентів лісових і степових екосистем: K — енергія відчуження біомаси консументами; L — вало- ва енергія біомаси; P — енергія приросту; М — енер- гія опаду; D — енергія детриту; R — енергія дихання; Gg — енергія гумінових кислот у ґрунті; Gf — енергія фульвокислот у ґрунті; S — енергія синтезу; Y — сту- пінь стійкості екосистем ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 12 35 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ praecox, Salix caprea, Ulmus scabra висотою по- над 5 м. Отже, формується «піраміда» з відпо- відним збагаченням запасів біомаси і енергії від периферії до центра куртини. Паралельно відбувається зміна енергетичного потенціалу ґрунту (рис. 2). Аналіз показав, що в типовому чорноземі під куртиною терену вміст гумусу і запаси енергії порівняно з такими показниками трав’яного ценозу з часом інтенсивно зменшуються. Звід- си можна зробити висновок, що формування терняків супроводжується перерозподілом енергетичних запасів, а отже, формуванням зовсім іншого енергетичного потенціалу між компонентами екосистеми. З позицій синер- гетики це можна розглядати як процес, коли степова екосистема у своєму розвитку досягає точки біфуркації, поза якою вона існувати не може, і тому якісно змінюється, переходить в інший стан, набуває цілком іншої структури, а подальший розвиток визначається іншим ти- пом атракторів. Для збереження попереднього стану необхідне «відкачування енергії», тобто відчуження біомаси, що в природі виконують консументи — пасовищні ссавці, а в умовах експерименту — режим викошування. Регулю- вальну ефективність викошування можна оці- нити за різницею енергетичних затрат між ви- кошуваними та невикошуваними степами, яка показує, що ця ефективність у лучних степах є недостатньою [13]. Одним із найприродніших і найефективні- ших факторів впливу на степові фітосистеми є випасання худоби, оскільки існування вели- ких консументів (коней, бізонів, зубрів, оленів, косуль та ін.) було важливим коеволюційним фактором у формуванні степового біому. Екс- перименти в Австрії (національний парк «Ві- денський ліс») показали, що в разі випасання овець, якого ми так боялися і уникали, вдаєть- ся зберігати ковилову стадію навіть у гумідних умовах Центральної Європи, тоді як уведений у нас абсолютно заповідний режим та сіноко- сіння, яке зараз фактично не ведеться, призво- дить до швидкої втрати степової компоненти. Цьому сприяють і відповідні кліматичні змі- ни. Сьогодні багато говорять про потепління і спустелювання, однак за останні 100 років на тлі підвищення середньорічної температури на 0,7 °С спостерігається збільшення кількості опадів у степовій зоні на 100 мм [14], а це озна- чає зниження континентальності та підвищен- ня гумідності клімату. Отже, в майбутньому ми можемо очікувати істотного скорочення степо- вого типу біотопів, їх різноманіття. Це поло- ження є дуже важливим для природоохорон- ної діяльності, але його ігнорує сучасне зако- нодавство щодо функціонування заповідників, у яких запровадження абсолютно заповідного режиму призвело до зникнення певного типу стацій, оселищ. Розвиток лісових екосистем відбувається шляхом накопичення енергетичних запасів у біомасі, тобто спрямований на підвищення енергетичного потенціалу. У системі фітоце- ноз — ґрунт ми спостерігаємо закономірність: чим нижча здатність ґрунту концентрувати гумус (енергію), тим більше запасається її в біомасі, що забезпечує стійкість екосистеми в цілому. Розрахунки показують, що для під- тримки структур лісу потрібно майже в 13,7 раза менше енергії, ніж для степу (рис. 3). Хоча ліси є високоенергетичними, врівнова- женими, досить стабільними екосистемами, в яких максимум енергії акумулюється в дереви- ні за менших запасів її у ґрунті, тут також від- буваються сукцесії, навіть у тих угрупованнях, які розглядалися як кінцеві клімаксові стадії. Так, класичні вікові дубові ліси заповідної ді- лянки «Лес на Ворскле» (Росія), де В.М. Су- качов проводив комплексні біогеоценотичні дослідження, характеризуються відмиранням віковічних дубів та інвазією більш тіневитри- валих порід, зокрема клена. У помірній зоні формуються ліси, де спо- стерігається невідповідність між домінанта- ми деревного ярусу та підросту. На Поліссі у дубово-соснових лісах є сходи дуба (Quercus robur), але немає сосни. В угрупованнях старих дубових лісів, де деревостан формує дуб в обхваті до 3 м, підріст дуба відсутній, однак багато граба. У грабових лісах, де зімкнутість деревостану цього виду cягає 0,9, густий підріст і сходи формує клен гостролистий (Acer pla- 36 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 12 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ tanoides) за фактичної відсутності в підрості граба. Тобто в підрості трапляються види не нинішньої, а наступної сукцесійної стадії, що, врешті-решт, і забезпечує сукцесію. Отже, розвиток будь-якого фітоценозу спрямований не на відтворення подібного собі, а іншого, що забезпечує синеволюцію. Щоб зберегти певний тип фітоценозу, потрібно знайти механізми, за допомогою яких можна повертати його розвиток на попередню стадію. Разом з тим, установлено, що на розвиток лісових екосистем впливають і кліматичні зміни, чому сьогодні приділяють велику ува- гу. За останні 100 років в Україні відзначено підвищення середньорічної температури на 0,7 °С передусім завдяки середньозимовим температурам: середня температура січня зросла на 1,5—2,5 °С, лютого — на 1—2 °С [15]. Унаслідок цього подовжується період додат- них температур і, відповідно, вегетаційний період. За підвищеної температури і достат- ньої кількості вологи інтенсифікуються жит- тєдіяльність мікроорганізмів, розкладання підстилки, вивільняються мінеральні форми азоту, в результаті в ценозах збільшується участь видів-нітрофілів, що характеризує від- повідний напрям сукцесії. Разом з тим, інтен- сивне розкладання органічних форм азоту до мінеральних означає зниження енергетично- го потенціалу екосистем [15]. На основі проведених нами досліджень було отримано важливі результати щодо впливу змін клімату на динаміку видів та рослинних угруповань, які чутливо реагують на такі зміни і використовуються як індикатори. Однак слід зазначити, що хоча кліматичні характеристики і є причиною таких змін, їхня дія є непрямою. Саме опосередкований вплив має найбільше значення в динаміці екосистем, але вичленити кліматичну складову практично неможливо. Так, з використанням наявних моделей змі- ни клімату було доведено, що при підвищенні температури найбільше потерпають екосисте- ми арктичних широт. Очевидно, саме цим мож- на пояснити і те, що з усіх екосистем наших широт найбільш вразливими є найхолодніші гідрофільні екосистеми, а найстійкішими — сухі літофільні. Однак гідрофільні екосисте- ми найбільшою мірою трансформовані через меліорацію, створення водосховищ, евтрофі- кацію, тому виокремити кліматичну складову тут важко. Проте зазначимо, що у водоймах Сіверського Дінця сформувалася стійка попу- ляція тропічного виду Pistia stratiotes, а рідкіс- ний для Західної Європи водяний горіх (Trapa natans) на прогрітих мілинах Дніпровського водосховища формує величезні зарості. Інтенсивне розселення інвазивних видів спостерігається в річкових долинах. Напри- клад, як нові типи біотопів можна розглядати зарості аморфи чагарникової (Amorpha frutico- sa), айстри верболистої (Aster salignus), ехіно- циста шипуватого (Echinocystis lobata) в басей- ні р. Латориця. Здавалося б, це не так страшно, але серед них є злісні карантинні види: амбро- зія полинолиста (Ambrosia artemisifolia), бор- щівник Сосновського (Heracleum sosnovskyi), гринделія розчепірена (Grindelia squarrosa), що спричинюють алергію, сильні опіки тощо. Проблема інвазивних видів полягає і в тому, що, формуючи їх штучні насадження в лісах, ми втрачаємо біорізноманіття трав’янистих, зокрема рідкісних, видів. Так, під насадження- ми американського дуба північного (Quercus boreale) видове різноманіття у 3 рази бідніше порівняно з нашими природними дубовими лісами. Очевидно, з кліматичними змінами опосе- редковано пов’язані проблеми інтенсивного всихання ялинників, яке ще наприкінці ХХ ст. було зафіксовано по всій Європі, а тепер і в на- ших Карпатах. Учені називають кілька причин: кліматичні зміни; природне випадання, оскіль- ки їх було штучно насаджено у невластивих екотопах; хвороби (опеньок, гниль, комахи, не- матоди). На наш погляд, ці чинники не виклю- чають, а доповнюють один одного. Головною ж причиною є зміна гідротермічного режиму, внаслідок чого поверхнева коренева система ялини не може забезпечувати життєві проце- си і стає чутливою до хвороб. Осередками, з яких розселюються шкідливі для ялини гриби, комахи, інші збудники, є залишки мертвої де- ревини, які сягають 20 % і зумовлені безгоспо- ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 12 37 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ дарним веденням рубок та вітровалами. Разом з тим, верхня межа ялинників піднімається на 200 м над рівнем моря, а це означає, що під- німається межа субальпійської та альпійської зон. Оскільки остання існує в наших Карпатах у вигляді окремих локалітетів, то в результаті глобального потепління може зникнути ціла низка рідкісних високогірних видів. Підсумовуючи сказане, можна стверджува- ти, що застосування синергетичних підходів в екології дає обнадійливі результати в галузі прогнозування та моделювання змін екосистем і потребує ширшого використання. Ми припус- каємо, що в перспективі розроблення таких під- ходів і впровадження відповідних методів може сформувати парадигму майбутньої екології. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Одум Ю. Основы экологии. — М.: Мир, 1975. — 240 с. 2. Горшков В.Г. Физические и биологические основы устойчивости жизни. — М.: ВИНИТИ, 1995. — 470 с. 3. Богатых Б.А. Фрактальная природа живого: системное исследование биологической эволюции и природы сознания. — М.: URSS, 2012. — 256 с. 4. Николис Т., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. — М.: Мир, 1979. — 512 с. 5. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса: новый диалог человека с природой. — М.: Прогресс, 1986. — 431 с. 6. Хакен Г. Синергетика. — М.: Мир, 1985. — 404 с. 7. Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Синергетика как новое мировидение: диалог с И. Пригожиным // Вопросы философии. — 1992. — № 12. — С. 3—20. 8. Черногор Л.Ф. О нелинейности в природе и науке. — Х.: ХНУ им. В.Н. Каразина, 2008. — 528 с. 9. Дідух Я.П. Основи біоіндикації. — К.: Наук. думка, 2012. — 343 c. 10. Арнольд В.И. Теория катастроф. — М.: Наука, 1990. — 128 с. 11. Дідух Я.П., Лисенко Г.М. Проблеми термодинамічного оцінювання структури та організації екосистем // Вісн. НАН України. — 2010. — № 5. — С. 16—27. 12. Дідух Я.П. Енергетичні проблеми екосистем і забезпечення сталого розвитку України // Вісн. НАН України. — 2007. — № 4. — С. 3—12. 13. Ткаченко В.С. Фiтоценотичний монiторинг резерватних сукцесiй в Українському степовому природному заповiднику. — К.: Фiтосоцiоцентр, 2004. — 184 с. 14. Друге національне повідомлення України з питань зміни клімату. — К.: Інтерпрес ЛТД, 2006. — 80 с. 15. Дідух Я.П. Етюди фітоекології. — К.: Арістей, 2008. — 264 с. Я.П. Дидух Институт ботаники им. Н.Г. Холодного НАН Украины ул. Терещенковская, 2, Киев, 01601, Украина СИНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ СТРУКТУРЫ И РАЗВИТИЯ БИОТОПОВ И ПРОБЛЕМЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИХ ИЗМЕНЕНИЙ Решение сложных экологических проблем в контексте перехода на позиции устойчивого развития предполагает использование новых термодинамических, синергетических подходов, в основе которых лежит теория нелиней- ности, что требует перевода качественных характеристик экосистем в количественные показатели. Применение разработанной автором методики синфитоиндикации позволяет использовать ряд современных математических методов и оценить характер зависимости между изменением экофакторов и биотопов. На основании понятий теории фракталов и теории катастроф рассмотрены проблемы структуризации, развития (сукцессии, синэволю- ции), характер трансформации энергии степных и лесных экосистем, а также их охраны. Подняты проблемы ин- вазии видов и усыхания ельников Карпат в контексте климатических изменений. Ключевые слова: термодинамика, синергетика, энергия, теория фракталов, теория катастроф, экосистема, био- топ, синфитоиндикация, сукцессия. 38 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 12 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ Ya.P. Didukh Kholodny Institute of Botany of NAS Ukraine 2 Tereschenkivska St., Kyiv, 01601, Ukraine SYNERGETIC APPROACHES TO THE ESTIMATION OF STRUCTURE AND DEVELOPMENT OF BIOTOPES AND THE ISSUES OF ITS CHANGE FORECASTING Solution of complicated ecological problems in the context of change-over to sustainable development requires the ap- pliance of thermodynamic, synergetic approaches based on the theory of non-linearity, which needs conversion of quali- tative characteristics of ecological factors to quantitative variables. Application of methodology of synphytoindication developed by the author enables the usage of a large variety of contemporary mathematical methods and the estimation the type of dependence between the change of ecosystems and biotopes. The issues of structuring and development (suc- cession, synevolution) of steppe and forest ecosystems concerning their protection, the character of energy transforma- tion are considered on the basis of notions of fractals and catastrophes. The issues of species invasion and spruce forest drying in the Carpathians as result of climate change are raised. Keywords: thermodynamics, synenergetics, energy, fractal theory, catastrophe theory, ecosystems, biotopes, synphytoin- dication, succession.

Схожі ресурси