Экологическая устойчивость - Ecological stability

An экосистема Говорят, что обладает экологическая стабильность (или же равновесие), если он способен вернуться в состояние равновесия после возмущения (емкость, известная как устойчивость ) или не испытывает неожиданных больших изменений своих характеристик во времени.[1] Хотя условия стабильность сообщества и экологическая стабильность иногда используются как синонимы,[2] стабильность сообщества относится только к характеристикам сообщества. Экосистема или сообщество могут быть стабильными в одних свойствах и нестабильными в других. Например, растительное сообщество в ответ на засуху может сохранить биомасса но проиграть биоразнообразие.[3]

Стабильные экологические системы изобилуют природой, и научная литература в значительной степени документировала их. Научные исследования в основном описывают сообщества луговых растений и микробные сообщества.[4] Тем не менее, важно отметить, что не каждое сообщество или экосистема в природе стабильны (например, волки и лоси на острове Рояль ). Кроме того, шум играет важную роль в биологических системах и в некоторых сценариях может полностью определять их временную динамику.

Концепция экологической устойчивости возникла в первой половине ХХ века. С развитием теоретическая экология в 1970-е годы использование этого термина расширилось до самых разных сценариев. Это чрезмерное использование термина привело к спорам по поводу его определения и реализации.[3]

В 1997 году Гримм и Виссел составили список из 167 определений, используемых в литературе, и нашли 70 различных концепций устойчивости.[5] Одна из стратегий, предложенных этими двумя авторами для прояснения предмета, - заменить экологическая стабильность с более конкретными терминами, такими как постоянство, устойчивость и упорство. Чтобы полностью описать и придать значение определенному виду стабильности, к нему нужно относиться более внимательно. В противном случае заявления о стабильности не будут иметь практически никакой достоверности, потому что у них не будет информации, подтверждающей это утверждение.[6] Следуя этой стратегии, экосистема, которая колеблется циклически вокруг фиксированной точки, такой как точка, обозначенная уравнения хищник-жертва, можно охарактеризовать как стойкий и устойчивый, но не как постоянный. Некоторые авторы, однако, видят веское основание для обилия определений, потому что они отражают огромное разнообразие реальных и математических систем.[3]

Анализ устойчивости

Когда численность видов в экологической системе рассматривается с помощью набора дифференциальных уравнений, можно проверить устойчивость путем линеаризации системы в точке равновесия.[7] Роберт Мэй разработал этот анализ устойчивости в 1970-х годах, который использует Матрица якобиана.

Типы

Хотя характеристики любой экологической системы подвержены изменениям, в течение определенного периода времени некоторые из них остаются постоянными, колеблются, достигают фиксированной точки или проявляют другой тип поведения, который можно охарактеризовать как стабильный.[8] Это множество тенденций можно обозначить разными типами экологической стабильности.

Динамическая стабильность

Под динамической стабильностью понимается стабильность во времени.

Стационарные, устойчивые, переходные и циклические точки

Стабильная точка - это такая точка, при которой небольшое возмущение системы будет уменьшено, и система вернется в исходную точку. С другой стороны, если небольшое возмущение увеличивается, стационарная точка считается неустойчивой.

Локальная и глобальная стабильность

Местная стабильность указывает на то, что система устойчива к небольшим кратковременным возмущениям, в то время как глобальная стабильность указывает на то, что система очень устойчива к изменениям ввидовой состав и / илидинамика пищевой сети.

Постоянство

Наблюдательные исследования экосистем используют постоянство для описания живых систем, которые могут оставаться неизменными.

Сопротивление и инерция (настойчивость)

Сопротивление и инерция иметь дело с собственной реакцией системы на какое-либо возмущение.

Возмущение - это любое внешнее изменение условий, обычно происходящее за короткий период времени. Сопротивление является мерой того, насколько мало изменяется интересующая переменная в ответ на внешнее давление. Инерция (или настойчивость) подразумевает, что живая система способна противостоять внешним колебаниям. В контексте изменения экосистемы в послеледниковой Северной Америке, E.C. Pielou отметила в начале своего обзора,

«Очевидно, что зрелой растительности требуется значительное время, чтобы закрепиться на вновь обнаженных скалах, вымытых льдом или ледниковых породах, пока ... также требуется значительное время для изменения целых экосистем с их многочисленными взаимосвязанными видами растений, средами обитания, которые они создают, и животными которые живут в местах обитания. Следовательно, климатические колебания в экологических сообществах представляют собой затухающую, сглаженную версию климатических колебаний, которые их вызывают ».[9]

Эластичность, эластичность и амплитуда

Устойчивость - это тенденция системы сохранять свою функциональную и организационную структуру и способность восстанавливаться после возмущения или нарушения. Устойчивость также выражает потребность в настойчивости, хотя с точки зрения управленческого подхода она выражается в том, что существует широкий спектр вариантов выбора, а события следует рассматривать как равномерно распределенные.[10] Эластичность и амплитуда являются мерами устойчивости. Эластичность - это скорость, с которой система возвращается в исходное / предыдущее состояние. Амплитуда - это мера того, насколько далеко система может быть перемещена из предыдущего состояния и все же вернуться. Экология заимствует идею стабильности соседства и области притяжения у динамические системы теория.

Ляпуновская устойчивость

Исследователи применяют математические модели из системы динамика обычно используют Ляпуновская устойчивость.[11][12]

Численная стабильность

Сосредоточение внимания на биотических компонентах экосистемы, популяции или сообщества обладает числовой стабильностью, если количество особей является постоянным или устойчивым.[13]

Знак стабильности

Можно определить, устойчива ли система, просто взглянув на знаки в матрице взаимодействия.

Стабильность и разнообразие

Взаимосвязь между разнообразием и стабильностью широко изучалась.[4]Разнообразие может способствовать повышению стабильности функций экосистем в различных экологических масштабах.[14] Например, генетическое разнообразие может повысить устойчивость к возмущениям окружающей среды.[15] На уровне сообщества структура пищевых сетей может влиять на стабильность. Влияние разнообразия на стабильность моделей трофической сети может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от трофическая связь сети.[16] На уровне ландшафта было показано, что неоднородность окружающей среды в разных местах повышает стабильность функций экосистемы. [17]

История концепции

Термин «экология» был придуман Эрнст Геккель в 1866 г. Экология Поскольку наука получила дальнейшее развитие в конце 19-го и начале 20-го веков, все большее внимание уделялось связи между разнообразием и стабильностью.[18] Фредерик Клементс и Генри Глисон внесение знаний о структуре сообщества; среди прочего, эти два ученых представили противоположные идеи о том, что сообщество может либо достичь стабильная кульминация или что это в значительной степени случайный и переменный. Чарльз Элтон В 1958 году утверждал, что сложные, разнообразные сообщества имеют тенденцию быть более стабильными. Роберт Макартур предложили математическое описание устойчивости числа особей в пищевой сети в 1955 г.[19] После значительного прогресса, достигнутого в экспериментальных исследованиях в 60-х годах, Роберт Мэй продвинул область теоретической экологии и опроверг идею о том, что разнообразие порождает стабильность.[20] В последние десятилетия появилось много определений экологической стабильности, но эта концепция продолжает привлекать внимание.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ А., Левин, Симон; Р., Карпентер, Стивен (01.01.2012). Принстонский гид по экологии. Издательство Принстонского университета. п. 790. ISBN  9780691156040. OCLC  841495663.
  2. ^ «Экология / Преемственность и стабильность сообщества - Викиучебники, открытые книги для открытого мира». en.wikibooks.org. Получено 2017-05-02.
  3. ^ а б c Роберт Мэй и Анджела Маклин (2007). Теоретическая экология: принципы и приложения (3-е изд.). С. 98–110. ISBN  9780199209989.
  4. ^ а б Айвз, Энтони Р .; Карпентер, Стивен Р. (2007-07-06). «Стабильность и разнообразие экосистем». Наука. 317 (5834): 58–62. Bibcode:2007 Наука ... 317 ... 58I. Дои:10.1126 / science.1133258. ISSN  0036-8075. PMID  17615333. S2CID  11001567.
  5. ^ Гримм, В .; Виссел, Кристиан (1 февраля 1997 г.). «Вавилон, или дискуссии об экологической стабильности: перечень и анализ терминологии и руководство по избежанию путаницы». Oecologia. 109 (3): 323–334. Bibcode:1997Oecol.109..323G. Дои:10.1007 / s004420050090. ISSN  0029-8549. PMID  28307528. S2CID  5140864.
  6. ^ Жигон, Андреас (1983). «Типология и принципы экологической устойчивости и нестабильности». Горные исследования и разработки. 3 (2): 95–102. Дои:10.2307/3672989. ISSN  0276-4741. JSTOR  3672989.
  7. ^ Карлос., Кастильо-Чавес (01.01.2012). Математические модели в популяционной биологии и эпидемиологии. Springer Нью-Йорк. ISBN  9781461416869. OCLC  779197058.
  8. ^ Левонтин, Ричард С. (1969). «Значение стабильности». Брукхейвенские симпозиумы по биологии. 22: 13–23. PMID  5372787.
  9. ^ Пиелу, После ледникового периода: возвращение жизни в ледниковую Северную Америку (Чикаго: Издательство Чикагского университета) 1991: 13
  10. ^ Холлинг, С. С. (1973). «Устойчивость и устойчивость экологических систем» (PDF). Ежегодный обзор экологии и систематики. 4: 1–23. Дои:10.1146 / annurev.es.04.110173.000245. ISSN  0066-4162. JSTOR  2096802.
  11. ^ Юстус, Джеймс (2006). «Экологическая и лянуповская устойчивость» (PDF). Документ, представленный на двухгодичном заседании Философия науки ассоциации, Ванкувер, Канада.
  12. ^ Юстус, J (2008). «Экологическая и лянуповская устойчивость». Философия науки. 75 (4): 421–436. CiteSeerX  10.1.1.405.2888. Дои:10.1086/595836. S2CID  14194437.(Опубликованная версия указанного выше документа)
  13. ^ А., Левин, Симон; Р., Карпентер, Стивен (01.01.2012). Принстонский гид по экологии. Издательство Принстонского университета. п. 65. ISBN  9780691156040. OCLC  841495663.
  14. ^ Оливер, Том Х .; Слышал, Мэтью С .; Исаак, Ник Дж.Б .; Рой, Дэвид Б.; Проктер, Дебора; Эйгенброд, Феликс; Фреклтон, Роб; Гектор, Энди; Орм, К. Дэвид Л. (2015). «Биоразнообразие и устойчивость функций экосистемы» (PDF). Тенденции в экологии и эволюции. 30 (11): 673–684. Дои:10.1016 / j.tree.2015.08.009. PMID  26437633.
  15. ^ Форсман, Андерс; Веннерстен, Лена (01.07.2016). «Межличностные различия способствуют экологическому успеху популяций и видов: данные экспериментальных и сравнительных исследований». Экография. 39 (7): 630–648. Дои:10.1111 / ecog.01357. ISSN  1600-0587.
  16. ^ Джонсон С., Домингес-Гарсиа В., Донетти Л., Муньос М.А. (2014). «Трофическая согласованность определяет стабильность пищевой сети». Proc Natl Acad Sci USA. 111 (50): 17923–17928. arXiv:1404.7728. Bibcode:2014PNAS..11117923J. Дои:10.1073 / pnas.1409077111. ЧВК  4273378. PMID  25468963.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  17. ^ Ван, Шаопэн; Лоро, Мишель (2014-08-01). «Стабильность экосистемы в космосе: изменчивость α, β и γ». Письма об экологии. 17 (8): 891–901. Дои:10.1111 / ele.12292. ISSN  1461-0248. PMID  24811401.
  18. ^ Элтон, Чарльз С. (1927-01-01). Экология животных. Издательство Чикагского университета. ISBN  9780226206394.
  19. ^ Макартур, Роберт (1955-01-01). «Колебания популяций животных и мера стабильности сообщества». Экология. 36 (3): 533–536. Дои:10.2307/1929601. JSTOR  1929601.
  20. ^ Мэй, Роберт М. (1972-08-18). «Будет ли стабильна большая сложная система?». Природа. 238 (5364): 413–414. Bibcode:1972 г.Натура 238..413М. Дои:10.1038 / 238413a0. PMID  4559589. S2CID  4262204.

Рекомендации