Монография посвящена теоретическим проблемам устойчивости северных экосистем. Рассмотрены флуктуации параметров популяций и цикличность биологической продуктивности наземных экосистем Субарктики, которые могут происходить синхронно или согласованно в различных географических регионах. Приводятся современные подходы к объяснению цикличности и синхронности многолетней динамики численности наземной фауны и межгодовой продуктивности растительных сообществ. Анализируются линейные модели переходов к синхронным режимам, а также связи цикличности и синхронности в динамике популяций. Показаны относительные роли внешних гелиогеофизических и биотических факторов в формировании пространственной синхронности природных процессов в различных географических регионах, а также современные тенденции в динамике северных экосистем, вызванные промышленными загрязнениями окружающей среды.

Для научных работников, преподавателей, аспирантов и студентов вузов.

Долговременная устойчивость северных экосистем зависит от пространственно-временных взаимоотношений составляющих их живых организмов. В основе этих отношений лежат регуляция численности популяций, скорости их возобновления, миграции и элиминации, поведение, физиологические и морфологические свойства организмов. Для популяций растений и животных Субарктики характерны многолетние значительные флуктуации перечисленных характеристик популяций и составляющих организмов, которые давно привлекали внимание исследователей и хорошо изучены. Помимо этого популяционные изменения здесь иногда происходят согласованно в разных географических регионах и даже синхронно. Пространственная синхронность популяций нередко распространяется на сотни километров, а её радиус может достигать континентальных размеров. В последние годы интересы многих исследователей в области теоретической экологии и биофизики больших систем, специалистов в области нелинейных процессов сместились к феномену синхронизации биологических систем, в том числе и к популяционной синхронности. Обобщённый вывод, к которому приходят исследователи в разных областях науки, сводится к тому, что синхронизация — это фундаментально нелинейное явление, лежащее в основе современного видения научной «картины мира». Слово «синхронный» широко используется в научной и в обыденной жизни. Оно происходит от греческих слов χρόυος (хронос — время) и σύν (син — тот же самый, общий), в прямом переводе «синхронный» означает «разделяющий общее время», «происходящий в то же самое время». Этот термин, как и родственные слова «синхронизация» и «синхронизированный», относятся к множеству явлений, встречающихся во многих областях естественных наук, техники и социальной жизни человека, явлений, которые кажутся совершенно далёкими друг от друга, но тем не менее могут подчиняться универсальным закономерностям. В основе процесса синхронизации лежит подстройка ритмов разными путями, например в результате обмена химическими или световыми сигналами между особями популяции или за счёт внешних синхронизирующих факторов окружающей среды. В любом случае характерным свойством систем, способных к синхронизации, является возможность их взаимной подстройки очень слабыми сигналами. Примерами таких систем могут быть химические осциллирующие системы, демонстрирующие колебательное изменение концентрации реагентов, скрипки в оркестре, системы радиосвязи и другие электронные системы, нервные центры, управляющие сокращением сердца человека, само сердце, центры патологической активности, вызывающие его фибрилляцию, светлячки, испускающие последовательные световые импульсы, стрекочущие в унисон сверчки, птицы, согласованно машущие крыльями, пингвины Адели, одновременно ныряющие в полынью за добычей и затем одновременно всплывающие на поверхность, лемминги, способные к массовым миграциям, популяции лесных полёвок и многих других животных, ритмически меняющие свою численность. У всех перечисленных систем есть общее свойство: они генерируют ритмы, а составляющие их элементы взаимодействуют друг с другом иногда очень слабо, едва заметно, однако это взаимодействие часто приводит к качественным изменениям их поведения, заключающееся в подстройке их ритма. Например, большие скопления светлячков, начинающих мигать в унисон, за счёт взаимного усиления сигнала видно на гораздо большем расстоянии, чем отдельных насекомых.

Биологические преимущества и причины синхронного поведения популяций не всегда понятны, с другой стороны, при неблагоприятных условиях оно может повысить риск исчезновения всей метапопуляции и биологического вида в целом. Например, недавно, 11 июля 2005 г. в селении Джевас провинции Ван в восточной Турции зарегистрирован случай, когда 1500 овец без видимой причины одновременно спрыгнули с высокого горного обрыва, 450 из них погибли и большинство получили ранения. По имеющимся оценкам, ущерб для местных семей достигает 100 тыс. долларов, это значительная сумма денег для страны, где средний показатель ВВП на душу населения составляет около 2700 долларов. Групповое цветение хозяйственно-ценных бамбуков монокарпиков и их последующая массовая гибель наносит ощутимый материальный ущерб местным фермерам, полностью уничтожая плантации на больших площадях. Во время цветения виноградной лозы в полученном ранее вине иногда по неясной причине резко усиливается брожение, влияя на его качество. В Финляндии зарегистрированы пространственные «волны деструкции» молодых древостоев, распространяющиеся в северном направлении и предположительно вызванные циклической активностью лесных грызунов. Большой урон хвойным лесам на севере Европы наносят периодически происходящие массовые вспышки численности жука короеда-типографа, а берёзовым — пядениц.

Вот почему исследование синхронных популяционных явлений важно для природоохранной деятельности и для выяснения популяционных механизмов устойчивости редких видов. К числу последних достижений теоретической экологии относится также установление связи между синхронностью популяций и их цикличностью. Эта связь прослеживается у популяций многих биологических видов, но не у всех, и механизмы её ещё окончательно не установлены. Не совсем ясна и природа факторов синхронизирующих популяции. Широкая распространённость циклических и синхронно изменяющихся популяций в приполярных областях указывает на возможную сферу их поиска. Поэтому мы уделили особое внимание анализу геофизических агентов, активность которых в высоких широтах в среднем выше. Кроме того, эти факторы отличаются повышенной долговременной устойчивой и относительно регулярной цикличностью, а также обладают характерными пространственными размерами, достаточными для континентальных и даже межконтинентальных изменений климата, оптических, физико-химических и других свойств ближней атмосферы.

Известно, что некоторые воздействия среды могут длительное время сохраняться в виде физиологических, морфологических изменений у организмов, однако следы таких воздействий могут наблюдаться и в популяционной структуре. Их анализ позволяет не только получить ретроспективную информацию о биологически важных событиях прошлого, но и идентифицировать биологически активные факторы, участвующие в синхронизации популяции. Таким образом, особи популяции оказываются связанными общим «тяжёлым прошлым» и иногда проявляют свойства синхронизированных на этой основе систем. В данной работе основное внимание уделяется синхронным процессам в популяциях животных и растений в отличие от монографии [Пиковский и др., 2003] и других, где рассмотрены общетеоретические вопросы и универсальные механизмы синхронных процессов преимущественно в физических, технических, химических системах, а также частично в биологических на уровне живых организмов, мембран или клеток.

Введение

Книги на ту же тему

1. Регуляция численности и плотности популяций животных Субарктики, Данилов Н. Н., ред., 1986
2. Ускользающий мир: Экологические последствия утраты местообитаний. — 2-е изд., Хански И., 2015
3. Птицы околоводных ландшафтов долины нижней Лены, Лабутин Ю. В., Гермогенов Н. И., Поздняков В. И., 1988
4. Экология размножения сиговых рыб Coregonidae в Обской губе Карского моря, Кузнецов В. В., Кузнецова Е. Н., Ключарева Н. Г., Гангнус И. А., Белорусцева С. А., Широков Д. А., 2011
5. Динамика экосистем Берингова и Чукотского морей, Израэль Ю. А., Цыбань А. В., ред., 2000
6. Экологическое эхо холодной войны в морях Российской Арктики, Айбулатов Н. А., 2000
7. Модели в экологии, Смит Д. М., 1976
8. Устойчивое развитие Арктики (проблемы и перспективы), Додин Д. А., 2005