А. С. Шарипханова

Кез-келген экологиялық жүйе туралы биологиялық немесе физикалық ұғымдарды математикалық байланыстар мен оларға операциялар жасау қатарына ауыстыру үрдісі – жүйелік талдам, ал математикалық жүйенің өзі – үлгі деп аталады.

Түпнұсқамен салыстырғанда үлгі әдетте оңтайландырылып және қасиеттері ұқсас болып жасалады, әйтпесе тәжірибе нәтижелері дүлдәмал, түпнұсқаға тән емес болып шығуы мүмкін.

Түпнұсқаның ерекшеліктеріне және зерттеу мақсаттарына байланысты ең сан алуан үлгілер қолданылатыны белгілі (1-сурет).

Материалдық (шынайы) үлгілер – заттың (мысалы, аквариум, ол табиғи су қоймасының үлгісі бола алады). Алайда шынайы үлгілерді жасау үнемі орындала бермейтін үлкен техникалық қиындықтарға кездеседі.

Экологияда концептуалдық және математикалық үлгілер мен олардың сандаған түрлері (ғылыми мәтін, жүйе сұлбасы, кестелер және т.б.) көп таралған, ол үлгілер өсімдіктер экологиясында өсімдіктерге жекеше немесе өсімдіктер жабындығына сипаттама беру мен салыстыру, талдау жасауда кеңінен қолданылады.

Қарапайым «жыртқыш-жемтік» және «паразит-қожайын» экологиялық жүйелерінің алғашқы математикалық үлгілері В.Вольтердің (1931) теориялық әзірленімдері болды. Қазір қазіргі заманға сай техникалардың арқасында кері байланысты аса күрделі өздігінен реттелуші жүйелерді – популяцияларды, биоценоздарды, биогеоценоздар мен оларға антропогенді стресстің әсерлерін үлгілеуге мүмкіндік бар.

Табиғи ресурстардың өзін-өзі өндірушілігіне ықпал ететін үрдістерді үлгілеу маңызды орын алады.

Үлгілеудің мүмкіндіктері - шынайы үрдістерді оңтайландыру, объектінің басты мәнін білу, объектінің ұқсасын кішірейтуге (глобус) немесе ұлғайтуға (жасуша) қабілеттілік, тез жүретін үрдістерді баяулату және баяу жүретіндерді жылдамдату, үлгілеуді экологиялық үрдістерді болжаудың маңызды әдісі етеді.

Экологиялық болжамда математикалық үлгілеудің негізіне өзара не заттар ағынын (оның ішінде ластағыш та), не реттеуші әсерлерді, не кеңістіктік миграцияларды, не ағзалардың дамуын т.б. боямалайтын функционалдық байланыстармен байланысқан жеке жүйешелер (блоктар, модульдер, камералар) түріндегі күрделі биологиялық жүйе ұғымының ұстанымы салынған.

Экологиялық болжам тек «есептеудің бастапқы нүктесі» туралы, яғни бүлінбеген табиғи жүйе (ластағыштардың аялық деңгейі) туралы мағлұматтар бар болғанда ғана математикалық үлгілеудің көмегімен мүмкін болады. Соңғы жылдары болжаушылар арасында «мониторинг» ұғымы, яғни экожүйенің дамуын болжауға мүмкіндік беретін мәліметтерді сараптау мен жинау, қоршаған ортаның күйін бақылау жүйесі кеңінен қолданылады.

Аялық экологиялық мониторинг бағдарламасы «биосфералық қорықтарда» іске асырылады. Биосфералық қорықтар желісін жасау және басқару ЮНЕСКО-ның «Адам және биосфера» (МАВ – «Man and Biosphere») Бағдарламасының шеңберінде жүзеге асады, оған қатысушылар – ЮНЕСКО-ның 110 мүше-мемлекеттері (ішінде Ресей де бар). Биосфералық қорықтардың әлемдік желісінің бір бөлігі Ресей Федерациясының аймағында да орналасқан. Олар табиғат эталондарының, мониторингтің резерваттары мен пунктерінің рөлін атқарады.

Қазіргі кезде үлгілер бүгінгі күннің нақты мәселелерін шешу үшін аса жиі қолданылады: мүмкін болатын антропогенді жүктеменің рауалы деңгейі, пестицидтерді қолдану салдары, сол аймақта бірінші кезекте қандай табиғи ортаны бақылау керектігі анықталады.

Үлгілер

Шынайы [табиғи Белгілік (идеалды)

(материалдық)]

Концептуалдық Математикалық

(графиктік, ауызша)

Аналитикалық Сандық (имитациялық)

(оператор аналитикалық

формада белгілі)

Дискретті – үздіксіз

Детерминденген – стохастикалық

Нүктелік – кеңістіктік

Стастикалық – динамикалық

1-Сурет. В.Д. Федоров, Т.Г. Гильманов бойынша үлгілерді жіктеу

70-жылдардың соңында Н.Н. Моисеевтің басшылығымен (1917 ж.) «Гея» биосфера үлгісі жасалды. Ол өзара байланысқан екі жүйеден құралды. Алғашқысы атмосфера мен мұхитта жүретін үрдістерді, екіншісі табиғаттағы заттардың (бірінші кезекте көміртектің) айналымын сипаттады. Математикалық үлгінің негізіне мұхит бетінің булануы және судың атмосферада шықтануы, теңіз суының ауадан көмірқышқылын сіңіруі, атмосфераның энергияны тасымалдауы, фотосинтез реакциясы, өсімдіктердің семуі, биомассаның Жер бетіне бөлінуі және т.б. жергілікті үлгілер салынған. Осы үлгі негізінде ғаламшарда климатты ядролық жарылыстың, ірі өрттің және жанартау атқылауының, ірі жергілікті отын-энергетикалық кешеннің жасалуының, тау ландшафтының өзгеруінің әсерлерінен өзгертудің түрлі қойылымдарының есебі орындалды.

80-жылдардың бірінші жартысында түрлі елдердің ғалымдары ядролық соғыстың салдарын жорамалдау мақсатымен ғаламдық математикалық үлгілер жасады. Солардың ішінде К. Саганның үлгісі мен «Гея» үлгісі барынша кеңінен таралған. Едәуір дәрежеде ғалымдардың сол зерттеулері мемлекеттердің ядролық қаруларды жою туралы саяси шешімдер қабылдауына себепші болған және ядролық соғыстың Жерге тигізген зардаптары туралы түсініктерді қалыптастырды.

Қазіргі уақытта ішінде атмосфера мен судың, атмосфера мен топырақтың үстіңгі қабатының арасындағы өзара әрекеттестіктердің жүйешелері, қоршаған ортаның әрбір элементінің үрдістері, атмосфераның жоғарғы қабатының Ғарышпен өзара әрекеттесуі, табиғаттағы өзін-өзі реттеу механизмдері, адамның саналы әрекеттілігінің қоршаған ортаға әсері кіретін ғаламдық математикалық үлгілер қажет. Мүмкіндіктердің едәуір көлемінде мұндай үлгі Жер аумақтары үшін әжептәуір егжей-тегжейлі болуы керек. Мұндай үлгіде ірі инженерлік шешімдерді, қалалардың әрекеттілігін, гидрожүйелердің варианттарын, зауыттардың орналасуын, көгалдандыру мен төзімді өсімдіктер түрлерін өсіру, өсімдіктер арқылы қоршаған ортаға т.б. баға беруге болатыны анық. Осыны ескере отырып, үлгілеу әдісінің өсімдіктер экологиясы үшін маңызы зор балып табылады. Жасыл өсімдіктер әлемін жас мамандардың жан-жақты қорғай отырып, өсімдіктердің төзімді түрлерін қала жағдайында ауа тазалайтын ластаушы заттарды сіңіргіш ретінде және көркемдік мақсатта өсіре білуде де, жан-жақты сауатты, білімді маман қажет деп ойлаймыз. Аталған әдістер мен тәсілдер өсімдіктер экологиясында кеңінен қолданыс табатынына сенеміз.

1.3 ҚОРШАҒАН ОРТА, ТІРШІЛІК ЖАҒДАЙЛАРЫ МЕН ЭКОЛОГИЯЛЫҚ ФАКТОРЛАР ЖӨНІНДЕГІ ТҮСІНІК
Экология тірі жүйелердің өзара және қоршаған ортамен байланысын зерттейтін ғылым екені белгілі. Аутэкология (грекше autos-өзі) қоршаған ортада ағзалардың тіршілік шегін анықтайды. Әрбір ағзаның қоршаған орта жағдайына байланысты бейімделушілігін, орта факторларының әсеріне ағзаның жауап беру реакциясын зерттейді. Аутэкология терминін ғылымға 1896 жылы швейцар ботанигі К.Шретер енгізген. Аутэкология тірі жүйе ретінде бөлек, дара ағзаларды, ал орта деп – барлық оны қоршайтындарды қарастырады.

Әрбір жеке ағзаның ортасы атқарылатын қызметтердің нәтижесінде түзілген көптеген органикалық және бейорганикалық элементтерден тұрады. Кейбір элементтер ағзаға қажетті болып табылады, кейбіреулерінің қажеттілігі жоқ, ал үшінші біреулері зиянды әсерін тигізеді.

Қоршаған ортаға барлық табиғи және техногенді орталар жатады. Табиғи орта – жер бетіндегі адамдардың байланысынсыз пайда болған және бұрынғы ұрпақтардан қалған орта. Техногенді орта – адамның көмегімен түзілген орта.

«Қоршаған орта» түсінігін экологияға биолог Я.Юкскюл (1864-1944) енгізген. Ол, тірі ағза мен олардың тіршілік ортасы, субъект және объект (кім, нені, кімді, зерттейді), бір-бірімен өзара байланысты және олардың барлығы бір жүйені – қоршаған ортаны түзеді деп есептеген. Қоршаған ортаға ағза бейімделу үрдісінде онымен байланысып және одан әртүрлі заттар, энергия, ақпараттар қабылдайды және береді.

«Қоршаған орта», «тіршілік ортасы», «өмір сүру ортасы», «тіршілік орыны» мағыналары жағынан өте ұқсас болғанымен, олардың бір-бірінен айырмашылықтары бар. Қоршаған орта – ағзаларды қоршайтын және олардың құрылысымен қызметіне тікелей немесе жанама әсер ететіндер. Жердегі ағзалардың тіршілігін қамтамасыз ететін әртүрлі орталар бар. Біздің планетамызда негізгі төрт тіршілік ортасы: су, жер, ауа, топырақ және тірі ағза денесі болып бөлінеді.

Көптеген ағзалар өздерінің тіршіліктерін тек бір тіршілік ортасында өткізеді. Мысалы: адамдар, құстар, сүтқоректілер, ашық және жабық тұқымды өсімдіктер жер, ауа ортасында, кейбір бунақденелілер (маса, инелік) мен қосмекенділер дамуының бір кезеңін суда, келесі кезеңін – жер-ауа ортасында өткізеді. Тіршілік ортасының өзі алуан түрлі болады. Мысалы, тіршілік ортасы – судың өзінің өмір сүру ортасы туралы айтатын болсақ, оның өзі тұщы немесе теңіз суы, ағынды немесе тоған суы болуы мүмкін. Өз кезегінде мекен ету ортасы тіршілік орнына бөлінеді. Сонымен, су – тіршілік ортасы, өзен - өмір сүру ортасы, ал су түбі, су беті және су ортасы – тіршілік орны болады.

1. Ағзалар мен олардың тіршілік ортасының байланыстарын зерттейтін Көне замандағы ойшылдардың (Аристотель, Гиппократ т.б.) экологиялық сипаттағы жазба хабарлары және орта ғасырлардағы хабар-ошарлармен танысып зерттеу.

2. Өсімдіктер экологиясының басқа ғылымдармен байланысын ашып көрсету.

3. ХҮІ-ХҮ111 ғғ. Ботаниктердің экологиялық сипаты бар хабарлары. Жандану кезеңіндегі ұлы жағрафиялық жаңалықтар. Сол замандағы ірі ботаниктердің еңбектері: Чезальпино, Турнефор, Дж. Рей, К. Линней т.б. ХҮ111-Х1Х ғғ.

4. Ботаниктердің еңбектері: А.Гумбольд, О.Декандоль, А.Декандоль, Ч.Дарвиннің эволюциялық ілімі.

5. Х1Х ғ. аяғы, өсімдіктер экологиясындағы негізгі 2 бағытты оқып талдау жасау.

2 ТАРАУ ЭКОЛОГИЯЛЫҚ ФАКТОРЛАР КЛАССИФИКАЦИЯСЫ
Шығу тегі және әсер ету сипатына байланысты барлық экологиялық факторларды абиотикалық (ортаның бейорганикалық немесе тірі емес факторлары) және биотикалық (тірлік иелерінің әсерімен болатын) деп бөледі. Экологиялық факторлар табиғатта азды-көпті күрделі кешендерге біріктіріледі. Олардың біреуінің өзгерісі басқаларының да өзгерісіне әкеліп соғады.

І. Абиотикалық экологиялық факторларды келесідей топтарға бөледі:

а) Климаттық факторлар: ауа, оның қозғалысы, жарық, жылу, жауын-шашын, ауа және топырақ ылғалдылығы, электрлік құбылыстар.

ә) Эдафикалық немесе топырақ-грунттарының факторлары: механикалық құрамы, физикалық қасиеті, грунт пен топырақтың микробиологиясы және химизмі.

б) Топографиялық (немесе орографиялық) факторлар: рельеф, айнала қоршаған орта.

Кейбір авторлар жеке химиялық факторлар тобына бөледі, мысалы, су ағзалары үшін судың тұздылығы және т.б.. Бірақ бұндай жағдайда осы топқа эдафикалық факторлардың бөліктерін де енгізу керек болады (топырақтың тұздылығы, олардағы қоректік элементтердің болуы), яғни тек қана топырақ ортасының әртүрлі қасиеттерінің өсімдіктерге әсерін бөлу дәлелді емес.

Аталған абиотикалық факторлардың классификациясы негізінен жер үсті өсімдіктеріне қолданылады. Су өсімдіктеріне басқадай факторлар кешені әсер етеді, тіршілік ортасы су болғандықтан судың қасиеттерімен анықталады. Мысалы, олар үшін гидрофизикалық және гидрохимиялық факторлар маңызды болып табылады.

а) фитогенді - өсімдіктердің бірге тіршілік ететіндердің тура (механикалық контакт, симбиоз, паразитизм, эпифиттердің қоныстануы) және жанама (тіршілік ортасының өсімдіктер үшін фитогенді өзгерістері);

ә) зоогенді – жануарлардың әсері (қоректенуі, таптауы, басқа да механикалық әсерлері, тозаңдану, ұрықтарды таратуы, сонымен бірге ортаға жанама әсерлері).

Биотикалық факторлар тобына микроағзалардың (микробогенді факторлар) өсімдіктерге әсерлері де енеді. Соңғы кездерде саңырауқұлақтарды жеке тірі табиғи патшалық деп бөліп қарастырылуына байланысты, өсімдіктерге микогенді факторлар әсерлерін қарастырып, олар жайлы да жеке айтуға болады.

Биотикалық факторлар тобына кейде адамзаттың өсімдіктерге әсерлерін де қосады. Бірақ спецификалық формадағы әсерлеріне, мысалы, ортада өсімдіктерді саналы түрде өзгерту немесе шаруашылық іс-әрекеттері арқылы өзгерту және кең көлемдегі салдарларын ескере отырып, адамзаттың әсерлерін ерекше топқа антропогендік факторлар деп бөлу маңызды болып табылады.

Антропогендік факторлар: адамдардың әртүрлі іс-әрекеттерінің жан-жануар, өсімдік және басқа барлық экологиялық факторларға әсері.

Алғашқы үш экологиялық факторлар тобын физика-географиялық факторлар тобына жатқызады. Климаттық факторларды жиі географиялық деп те атайды. Себебі, жергілікті орынның координатасына байланысты, теңіз деңгейінен биіктігі барлығы осы жердің климатын құрайды. Оның ішінде жарық, жылу, күн сәулесімен шағылысуы – басты энергетикалық фактор болып табылады.

Грунтты-топырақ факторларын жиі эдафикалық (грекше эдафос - топырақ) деп атайды.

Биосферадағы тірі заттардың тұрақтылық заңын (закон константности) В.Вернадский былай тұжырымдайды: биосфераның белгілі геологиялық дәуіріндегі тірі заттардың мөлшері (барлық ағзалардың биомассасы) тұрақты.

Ағза тіршілік ете алатын факторлардың төменгі мәні минимум, ал жоғарғы мәні – максумим деп аталады. Ағза тіршілік ететін, бірақ нашар, әлсіз, қажыған жағдайдағы фактордың мәні – пессимум, ал ағзаның тіршілігіне қолайлы жағдайды немесе фактордың мәні – оптимум деп аталады.

Фактордың қолайлы мәні популяция түзетін ағзалардың санының көбеюіне әкеледі. Факторлар мәнінің пессимумында ағзаның тіршілік белсенділігі төмендейді. Экологиялық дискомфорт ағзаларды қолайсыз жағдайлардан қашуына немесе оларға бейімдейді. Егер фактордың өзгеруі минимум және максимумнан асып кетсе, ағзалардың жаппай өлуі басталады.

1840 жылы Ю.Либих (1803-1873) ағзалардың өміршеңдігі мен төзімділігі оның экологиялық қажеттіліктер тізбегінің ең әлсіз звеносына байланыстылығын байқап, былай тұжырымдады: «минимумда болатын заттармен, егістік басқарылады және уақытпен оның төзімділігі және көлемі анықталады». Ғалым астықтың өнімін тек көп мөлшерде қажет ететін заттар тежеп қана қоймай, сонымен бірге аз мөлшерде керек және топырақта жеткіліксіз болатын (мысалы бор) заттар тежейтінін дәлелдеді. Қазіргі кезде Либих ережесі шектеулі факторлар заңы немесе Либихтің минимум заңы деп аталады.

Кейіннен максимум заңы тек өсімдіктер үшін ғана емес, басқа да ағзалардың осындай экологиялық факторлардың әсерінен өзгеріске ұшырауын «шектеулі фактор» деп атап кеткен. Шектеулі фактор тек жетіспеушіліктен ғана емес, сонымен бірге артық болған жағдайда да болатындығы анықталды. Бұл экологиялық максимумның экологиялық минимум әсерімен теңдес шектеулі әсері туралы түсінікті 1913 жылы Шелфорд тұжырымдады.

«Шелфордтың толеранттық немесе төзімділік заңы» бойынша: дамудың тежеулі факторы болып экологиялық факторлардың минимумы мен қатар максимумы бола алады, ал олардың аралығында диапозоны факторға ағзаның төзімділігін, толеранттық шамасын (Tolerantia - шыдамдылық, төзімділік) анықтайды.

Сонымен, әрбір тірі ағзаның экологиялық факторларға төзімділік шегі бар, оның ең жоғары шегі (максимум) және ең төменгі шегі (минимум) деп аталып, осы екі шектің арасында ағзаның өсіп - өнуіне, көбеюіне қолайлы шек (оптимум) жатады. Әрбір түр өзінің толеранттылығымен – оптимальды экологиялық факторлардан ауытқуды бастан кешіруге қабілеттілігімен сипатталады.

1. Қоршаған орта, тіршілік жағдайлары жайлы оқып танысып, мысалдар келтіру.

2. Экологиялық факторлар жөніндегі түсінікті оқып игеру.

3. Экологиялық факторларды жүйелеу негіздерін дәлелдеу.

4. Экологиялық оптимумдер. Өсімдіктердің тіршілік аралығындағы маңызды үш нүкте.

5. Экологиялық факторлардың әсер ету аралығы. Ю.Либихтың Минимум заңы.

6. Блэкманның шектеуші факторлар заңдылығы.

7. Шелфордтың толеранттық заңын оқып талдау жасау.

8. Өсімдіктердің қоршаған ортаға келтірер өзгерістерін анықтап, дәлел келтіру.

3 ТАРАУ ЖАРЫҚ ЖӘНЕ ОНЫҢ ЭКОЛОГИЯЛЫҚ МАҢЫЗЫ

2 – Сурет. Күн радиациясының құрамы

Өсімдік жамылғысы атмосфера арқылы өткен және құрамы және саны жағынан өзгерген жарықты қабылдайды.

Өсімдік жамылғысы күн радиациясының атмосфера арқылы өтіп, құрамы мен саны жағынан аздап өзгерген түрін қабылдайды. Әлемдік кеңістікте күн энергиясының жер бетінде және бұлтпен шағылысуы мен шаңмен атмосферада 34% радиация шашырайды, ал 19% атмосферада сіңіріледі де жылуға жұмсалады. 47% жер бетіне жетеді (3 - сурет).

3 – Сурет. Күн энергиясының Жер бетінде таралу жолдары

Өсімдіктер радиация бөліктерін жарық ретінде топырақ, су және басқа өсімдіктер шағылысуынан алады.

Жарықтың сандық сипаты - орта факторларының бірі ретінде жарықтың қолданылу бағытына байланысты болады. Күн сәулесінің шағылысуынан энергетикалық сандық сипаты сәулелі энергия, уақыт бірлігінде перпендикуляр беттегі сәулеге сай болады. Ол радиацияның интенсивтілігі немесе сәулеленуі деп аталып, Дж/см² минутына немесе Вт/см² – энергетикалық бірлікпен көрсетіледі. Бұл сипаттама климатологияда, әсіресе күн сәулесінің радияциясын зерттейтін - актинометрияда қолданылады. Экологияда өсімдіктердің жарық жағдайында тіршілік етуі мен таралуын бағалауда, өсімдік физиологиясында, агрометерология және т.б. кең қолданылады.

Алаң көлемінің 1м² келетін жарықтануы люкс (лк) бірлігімен өлшенеді, бұл - өте аз мөлшер, сондықтан табиғи өмір сүру жағдайында мыңдаған люксте (килолюксте) көрсетіледі. Энергетикалық бірліктерді жарықтану бірлігіне және керісінше есептеу коэффициентінің көмегімен – люкстің энергетикалық эквивалентіне және радиацияның жарықтану эквивалентіне айналдыруға болады.

Күннің тура түсетін радиациясының интенсивтілігін арнайы мамандандырылған құралдармен – актинометр және пиргелиометр арқылы, ал қосынды радиацияның интенсивтілігін – пиранометрдің көмегімен өлшейді.

Өсімдіктер алатын жарықты бағалау үшін жарықтың сандық сипатынан басқа, жарықтың сапалық құрамын, яғни, әртүрлі ұзындықтағы толқындардың сәулелермен қатынасын немесе спектральды құрамын білу де аса маңызды болып табылады. Оның өзінде адам көзі және өсімдіктер жарықтың спектральдық құрамын әрқалай қабылдайтынын ескеру қажет (4 - сурет). Көз үшін спектр бөлігінің сары-жасыл сәулелері жарық болса, ал жасыл өсімдіктер үшін хлорофиллмен сіңірілетін қызыл және көк сәулелер аса маңызды болып табылады. Жарықты өсімдіктер үшін орта факторы ретінде қарастыра отырып, оны «өсімдіктердің көзімен» бағалау қажет деп көрсетеді орыс ғалымы К.А. Тимирязев.

4 – Сурет. Адам көзіне көрінетін спектрлер

3.2 ЖАРЫҚ ЖАҒДАЙЛАРЫНЫҢ УАҚЫТҚА САЙ ӨЗГЕРІСТЕРІ

Маусымдық динамика күн сәулесінің радиациясының келуі жергілікті мекеннің астрономиялық заңдылықтарының сипатымен және сол сияқты маусымдық климаттық ритммен (жауынның қайталануы және т.б.) байланысты. Әртүрлі ендікте ол әртүрлі дәрежеде көрінеді: экваторлық аймақта (зонада) толығымен жоқ болуынан полюстердегі жаз және қыс режимдерінің күрт алмасуларына дейін (полярлы жаз және полярлы түн).