Жүйелердегі күрт өзгерістер мен олардың салдары

Кіріспе

Режимдік ауысу – экожүйелердің, климаттың, қаржы жүйелерінің немесе басқа да күрделі жүйелердің құрылымы мен функциясындағы үлкен, кенеттен, тұрақты өзгерістер. Режим – өзара күшейтілген процестер немесе кері байланыс арқылы сақталатын жүйенің ерекше мінез-құлқы. Режимдер ауысу орын алған уақыт кезеңіне қатысты тұрақты болып саналады. Режимдердің өзгеруі немесе ауысуы әдетте, ішкі процестің бірқалыпты өзгеруі (кері байланыс) немесе бір ғана бұзылу (сыртқы шоктар) жүйенің мүлдем басқаша мінез-құлқына әкелгенде болады. Мұндай сызықтық емес өзгерістер атомдардан климат динамикасына дейінгі түрлі салаларда кеңінен зерттелгенімен, режимдік ауысулар экологияда маңыздылыққа ие, себебі олар қоғамның тамақ, таза су немесе климатты реттеу сияқты экожүйелік қызметтерге қатысты ағынына елеулі әсер етуі мүмкін. Сонымен қатар, планетаға адамның ықпалы арта келе – антропоцен дәуірінде – режимдік ауысулардың жиілігі ұлғаюы күтілуде, оның ішінде қазіргі климаттың өзгеруі мен биологиялық әртүрліліктің жоғалуының тенденциялары да бар. Режимдік ауысулар критикалық немесе бифуркациялық нүктемен байланысты болған жағдайда, оларды критикалық өтулер деп те атайды. May (1977) жайылымдық жүйелерде, жинау жүйелерінде, жәндіктер-зиянкестер мен қожайын-паразит жүйелерінде; Jones and Walters (1976) балық шаруашылығы жүйелерінде; ал Ludwig et al. (1978) жәндіктердің жапсаруымен байланысты. Режимдік ауысуларды түсінуге жасалған алғашқы тыраштандырулар биологиялық тұрақтылықты көрсетудегі қиындықтар, олардың модельдеуге сүйенуі және жоғары сапалы, ұзақ мерзімді деректердің жетіспеуі үшін сынға ұшырады. Алайда, 1990 жылдарға қарай кельп ормандары, коралл рифтері, құрғақ жерлер және сайы жазық көлдер үшін режимдік ауысулардың айқын дәлелдері жиналды. Бұл жұмыс экологиялық қайта ұйымдастыру зерттеулерін жандандырды және 2000 жылдардың басында режимдік ауысудың тұжырымдамалық аясын жасады. Экология және оған жақын салалардағы режимдік ауысулардың қазіргі анықтамаларының толық емес тізімі 1-кестеде келтірілген.

Regime shifts are large, abrupt, persistent changes in the structure and function of ecosystems, the climate, financial systems or other complex systems. A regime is a characteristic behaviour of a system which is maintained by mutually reinforced processes or feedbacks. Regimes are considered persistent relative to the time period over which the shift occurs. The change of regimes, or the shift, usually occurs when a smooth change in an internal process (feedback) or a single disturbance (external shocks) triggers a completely different system behavior. Although such non linear changes have been widely studied in different disciplines ranging from atoms to climate dynamics, regime shifts have gained importance in ecology because they can substantially affect the flow of ecosystem services that societies rely upon, such as provision of food, clean water or climate regulation. Moreover, regime shift occurrence is expected to increase as human influence on the planet increases – the Anthropocene – including current trends on human induced climate change and biodiversity loss. When regime shifts are associated with a critical or bifurcation point, they may also be referred to as critical transitions. May (1977) in grazing systems, harvesting systems, insect pests and host parasitoid systems; Jones and Walters (1976) with fisheries systems; and Ludwig et al. (1978) with insect outbreaks. These early efforts to understand regime shifts were criticized for the difficulty of demonstrating bi stability, their reliance on simulation models, and lack of high quality long term data. However, by the 1990s more substantial evidence of regime shifts was collected for kelp forest, coral reefs, drylands and shallow lakes. This work led to revitalization of research on ecological reorganization and the conceptual clarification that resulted in the regime shift conceptual framework in the early 2000s. A non exhaustive range of current definitions of regime shifts in recent scientific literature from ecology and allied fields is collected in Table 1. Table 1. Definitions of regime shifts and modifications used to apply the concept to particular research questions from scientific literature published between 2004 and 2009. {| class="wikitable"
|
! Source ! ! Definition ! ! Modification
|
| Collie et al. 2004 || "A regime shift involving alternate stable states occurs when a threshold level of a controlling variable in a system is passed, such that the nature and extend of feedbacks change, resulting in a change of direction (the trajectory) of the system itself. A shift occurs when internal processes of the system have changed and the state of the system begins to change in a different direction, toward a different attractor." ||
|
| Andersen et al. 2009 || || "ecological regime shifts can be defined as abrupt changes on several trophic levels leading to rapid ecosystem reconfiguration between alternative states"
|
| Cumming & Norberg, 2008 || "the ability of a system to internally switch between different self reinforcing processes that dominate how the system functions" ||
|
| Brock, Carpenter and Scheffer 2008 (Chap 6 in Cumming and Norberg) || "Regime shifts, substantial reorganizations of complex systems with prolonged consequences In environmental policy regime shifts raise the prospect that incremental stresses may evoke large, unexpected changes in ecosystem services and human livelihoods" ||
|
| Biggs et al. 2009 Second, hysteresis greatly enhances the role of history in a system, and demonstrates that the system has memory – in that its dynamics are shaped by past events. Conditions at which a system shifts its dynamics from one set of processes to another are often called thresholds. In ecology for example, a threshold is a point at which there is an abrupt change in an ecosystem quality, property or phenomenon; or where small changes in an environmental driver produce large responses in an ecosystem. Thresholds are, however, a function of several interacting parameters, thus they change in time and space. Hence, the same system can present smooth, abrupt or discontinuous change depending on its parameters' configurations. Thresholds will be present, however, only in cases where abrupt and discontinuous change is possible.

1-кесте. 2004-2009 жылдар аралығында жарияланған ғылыми әдебиеттердегі режимдік ауысулардың анықтамалары және оларды зерттеу сұрақтарына қолдану үшін жасалған өзгертулер.

| Көз | Анықтама | Өзгерту |
|---|---|---|
| Collie et al. 2004 | "Алтернативті тұрақты күйлерді қамтитын режимдік ауысу жүйедегі бақылаушы айнымалының шекті деңгейінен өткеде пайда болады, нәтижесінде кері байланыстың сипаты мен көлемі өзгереді, бұл жүйенің өзінің бағытын (траекториясын) өзгертеді. Ауысу жүйенің ішкі процестері өзгергенде және жүйенің күйі басқа бағытта, басқа тартымдылыққа қарай өзгере бастағанда болады." | |
| Andersen et al. 2009 | "Экологиялық режимдік ауысу бірнеше трофикалық деңгейлердегі кенеттен өзгерістер ретінде анықталуы мүмкін, бұл экожүйенің әртүрлі күйлер арасындағы тез қайта құрылуына әкеледі." | "Экологиялық режимдік ауысулар бірнеше трофикалық деңгейлердегі кенеттен өзгерістер ретінде анықталуы мүмкін, бұл экожүйенің әртүрлі мемлекеттер арасындағы тез қайта конфигурациялануына әкеледі." |
| Cumming & Norberg, 2008 | "Жүйенің ішкі өзін-өзі нығайтатын әртүрлі процестер арасында ауысу қабілеті, бұл жүйе қалай жұмыс істейтінін басқарады." | |
| Brock, Carpenter and Scheffer 2008 (Cumming and Norberg 6-тарау) | "Режимдік ауысу – күрделі жүйелердің ұзақ мерзімді салдарлары бар күрделі қайта ұйымдастырылуы. Экологиялық саясатта режимдік ауысулар экожүйелік қызметтер мен адамның күнкөрісінде үлкен, күтпеген өзгерістерді тудыруы мүмкін." | |
| Biggs et al. 2009 | "Екіншіден, гистерезис жүйенің тарихындағы рөлін арттырады және жүйенің жады бар екенін көрсетеді, өйткені оның динамикасы өткен оқиғалармен қалыптасады. Жүйенің өз динамикасын бір процесс жиынтығынан екіншісіне ауыстыратын жағдайлары жиі шектер деп аталады. Мысалы, экологияда шек – бұл экожүйенің сапасында, қасиетінде немесе құбылысында кенеттен өзгерістер болатын нүкте; немесе экологиялық фактордағы кішкентай өзгерістер экожүйеде үлкен реакция тудыратын жерде. Алайда, шектер бірнеше өзара әрекеттесетін параметрлердің функциясы болып табылады, сондықтан олар уақыт пен кеңістікте өзгеріп отырады. Осылайша, бір жүйе параметрлерінің конфигурациясына байланысты тегіс, кенеттен немесе үздіксіз өзгеруі мүмкін. Алайда, шекті мөлшерлер тек кенеттен және үздіксіз өзгеру мүмкін болған жағдайларда ғана болады." | |

Дәлел

Эмпирикалық дәлелдер режимдік өзгерістерге қатысты модельдік жұмысты толықтырып, аяқтады. Экологиядағы режимдік өзгерістерге қатысты алғашқы зерттеулер, тоңдаушылар, жайылым, балық шаруашылығы және шығанақтардың динамикасы туралы модельдерде жасалды. 1980-жылдардан бастап модельдерді одан әрі дамыту, кельп ормандары, коралл рифтері, құрғақ жерлер және көлдер сияқты экожүйелердегі режимдік өзгерістерге қатысты эмпирикалық дәлелдермен толықтырылды. Ғалымдар әртүрлі экожүйелерде және әртүрлі масштабтарда режимдік өзгерістерге қатысты мәліметтер жинады. Мысалы, жергілікті масштабта, ең жақсы құжатталған мысалдардың бірі – ағаш өсімдіктерінің кеңеюі, ол тегіс динамикалық өзгерістерге ұшырайды деп есептеледі. Аймақтық деңгейде Амазонка және Шығыс Азиядағы жаңбырлы ормандардың аумақтарындағы орманды жоюдың салдарынан ылғалды қайта өңдеудің әлсіреуіне байланысты саванна режиміне ауысу қаупі бар деп саналады. Орманнан саваннаға өту азық-түлікпен қамтамасыз етуге, таза суға, климатты реттеуге және биологиялық әртүрлілікті сақтауға әсер етуі мүмкін. Жалпы планеталық деңгейде, жазда Арктика мұз қабатының жылдам қысқаруы альбедо кері байланысы арқылы климаттың жылынуын күшейтеді, бұл теңіз деңгейіне және бүкіл әлемде климатты реттеуге әсер етуі мүмкін. Су жүйелері режимдік өзгерістерді анықтау үшін жан-жақты зерттелді. Көлдер шамалы жабық жүйелер сияқты жұмыс істейді, бұл оларға тәжірибелер жүргізуге және деректер жинауға мүмкіндік береді. Эутрофикация – мөлдір судың лайлы суға ауысуы, ол улы балдырлардың гүлдеуіне және көлдер мен жағалау экожүйелерінде балық өнімділігінің төмендеуіне әкеледі. Эутрофикация ауыл шаруашылығында қолданылатын тыңайтқыштар сияқты қоректік заттардың әсерінен туындайды. Бұл гистерезиспен сипатталатын үзіліспен өтетін өзгерістің мысалы. Көл лайлы су режиміне ауысқаннан кейін, фосфорды қайта өңдеудің жаңа кері байланысы, тіпті қоректік заттардың мөлшері айтарлықтай азайған жағдайда да, жүйені эутрофиялық күйде ұстап тұрады. Су және теңіз жүйелерінде кеңінен зерттелген тағы бір мысал – азық тізбегіндегі трофикалық деңгейдің төмендеуі. Бұл әдетте балық жыртқыштарының көп саны басым болатын экожүйелерден пелагикалық планктивораларға (мысалы, медузаларға) сияқты төмен трофикалық топтардың басымдығына ауысуды білдіреді. Бұл азық тізбегі балық шаруашылығының өнімділігіне, эутрофикацияға, гипоксияға, бөгде түрлердің таралуына және демалыс құндылықтарына әсер етеді. Гипоксия, немесе «өлшім аймақтары» деп аталатын аймақтардың пайда болуы – су және теңіз жағалауындағы ортадағы тағы бір режимдік өзгеріс. Гипоксия, эутрофикация сияқты, антропогендік факторлармен және жаратылыс көздерінен туындаған, мысалы, судың жоғары көтерілуімен байланысты. Қоректік заттардың жоғары концентрациясы еріген оттегінің деңгейін төмендетеді, бұл су организмдерінің көпшілігі үшін өмір сүруді мүмкінсіз етеді. Экожүйелік қызметтерге әсер ету балық шаруашылығының құлдырауы мен адамдар үшін уытты газдардың өндірілуіне әкелуі мүмкін. Теңіз жүйелерінде екі жақсы зерттелген режимдік өзгеріс коралл рифтерінде және кельп ормандарында орын алады. Коралл рифтері – теңіздегі биологиялық әртүрліліктің тіршілік ету ортасы ретінде қызмет ететін үш өлшемді құрылымдар. Қатты кораллдар басымдығын көрсететін рифтер жұмсақ тінді балдырлар басымдығына ауысуы мүмкін, бірақ олар жұмсақ кораллдарға, кораллморфарийлерге, теңіз кірпісіне немесе губкалар басымдығына ауысқандары туралы да хабарлар жасалған. Коралл рифтерінің өзгеруі кальцийді бекіту, суды тазарту, биологиялық әртүрлілікті сақтау, балық шаруашылығының өнімділігі, жағалауды қорғау және демалыс қызметтері сияқты экожүйелік қызметтерге әсер етеді. Кельп ормандары – мұхиттың қоңыржай аймақтарында өсетін өте өнімді теңіз экожүйелері. Кельп ормандары әдетте қоңыр макробалдырлар басымдығын көрсетеді және биологиялық әртүрліліктің жоғары деңгейін қамтамасыз етеді, сонымен қатар косметикалық өнеркәсіп пен балық шаруашылығы үшін экожүйелік қызметтерді ұсынады. Бұл қызметтер, негізінен, жағалаудан қоректік заттардың ағылуы мен шамадан тыс балық аулаудан туындаған, кельп орманының теңіз кірпісіне айналуы кезінде айтарлықтай төмендейді. Теңіз саңырауқұлақтары сияқты негізгі жыртқыштарды шамадан тыс аулау және шамадан тыс жинау жүйеге жоғарыдан төменге қысым жасайды. Төменнен жоғары қысым қоректік заттармен ластанудан туындайды. Топырақтың тұздануы – құрлықтағы жүйелерде кеңінен таралған режимдік өзгерістің мысалы. Ол терең тамырлы өсімдіктерді алып тастау және суару арқылы туындайды, бұл топырақ суының деңгейінің көтерілуіне және топырақ бетінің тұздылығының артуына әкеледі. Жүйе өзгергеннен кейін азық өндірісімен байланысты экожүйелік қызметтер – егістер мен мал шаруашылығы – айтарлықтай төмендейді. Құрғақ жерлердің деградациясы, шөлдеу деп те аталады, кеңінен таралған, бірақ даулы режимдік өзгерістің түрі. Құрғақ жерлердің деградациясы өсімдіктердің жоғалуы экожүйені өсімдік жамылғысынан жалаңаш топыраққа айналдырғанда орын алады. Бұл өзгеріс шаруашылық және мал шаруашылығы, жартылай көшпелі дәстүрлердің жоғалуы, инфрақұрылымның кеңеюі, басқарудың икемділігінің төмендеуі және басқа экономикалық факторлардың жиынтығымен байланысты болса да, бұл өзгеріс даулы, өйткені режимдік өзгеріс бар-жоғын және оған қандай факторлар себеп болғанын анықтау қиын болды. Мысалы, кедейлік құрғақ жерлердің деградациясына себеп болатын фактор ретінде қарастырылған, бірақ зерттеулер үнемі қайшы келетін мәліметтерді көрсетеді. Құрғақ жерлердің деградациясынан зардап шегетін экожүйелік қызметтерге төмен биомасса өнімділігі кіреді, бұл ауыл шаруашылығы және су айналымы үшін қамтамасыз ету және қолдау көрсету қызметтерін төмендетеді. Полярлық аймақтар климаттың жылынуының әсерін зерттеуге қатысты зерттеулердің назар орталығында болды. Полярлық аймақтардағы режимдік өзгерістер Гренландия мұз қабатының еруін және термохалин айналым жүйесінің күйреу мүмкіндігін қамтиды. Гренландия мұз қабатының еруі жаһандық жылынудың салдарынан туындайды және әлемдік жағалауларды теңіз деңгейінің көтерілуімен қауіпке тікейді, ал термохалин айналым жүйесінің күйреуі Солтүстік Атлант мұхитындағы тұщы судың көбеюіне байланысты, бұл тропиктер мен полярлық аймақтар арасындағы тығыздықпен қозғалмалы су тасымалын әлсіретеді. Екі режимдік өзгеріс теңіз биоәртүрлілігіне, су айналымына, тұрғын үйлер мен инфрақұрылымның қауіпсіздігіне және климатты реттеуге және басқа экожүйелік қызметтерге қатысты ауыр салдарға әкеледі.

Empirical evidence has increasingly completed model based work on regime shifts. Early work on regime shifts in ecology was developed in models for predation, grazing, fisheries and inset outbreak dynamics. Since the 1980s, further development of models has been complemented by empirical evidence for regime shifts from ecosystems including kelp forest, coral reefs, drylands and lakes. Scholars have collected evidence for regime shifts across a wide variety of ecosystems and across a range of scales. For example, at the local scale, one of the best documented examples is woody plant encroachment, which is thought to follow a smooth change dynamic. At the regional scale, rainforest areas in the Amazon and East Asia are thought to be at risk of shifting towards savanna regimes given the weakening of the moisture recycling feedback driven by deforestation. The shift from forest to savanna potentially affects the provision of food, fresh water, climate regulation and support for biodiversity. On the global realm, the faster retreating of the arctic ice sheet in summer time is reinforcing climate warming through the albedo feedback, potentially affecting sea water levels and climate regulation worldwide. Aquatic systems have been heavily studied in the search for regime shifts. Lakes work like microcosms (almost closed systems) that to some extent allow experimentation and data gathering. Eutrophication is a well documented abrupt change from clear water to murky water regimes, which leads to toxic algae blooms and reduction of fish productivity in lakes and coastal ecosystems. Eutrophication is driven by nutrient inputs, particularly those coming from fertilizers used in agriculture. It is an example of discontinuous change with hysteresis. Once the lake has shifted to a murky water regime, a new feedback of phosphorus recycling maintains the system in the eutrophic state even if nutrient inputs are significantly reduced. Another example widely studied in aquatic and marine systems is trophic level decline in food webs. It usually implies the shift from ecosystems dominated by high numbers of predatory fish to a regime dominated by lower trophic groups like pelagic planktivores (i. e. jellyfish). Affected food webs often have impacts on fisheries productivity, a major risk of eutrophication, hypoxia, invasion of non native species and impacts on recreational values. Hypoxia, or the development of so called death zones, is another regime shift in aquatic and marine coastal environments. Hypoxia, similarly to eutrophication, is driven by nutrient inputs of anthropogenic origin but also from natural origin in the form of upwellings. In high nutrient concentrations the levels of dissolved oxygen decrease, making life impossible for the majority of aquatic organisms. Impacts on ecosystem services include collapse of fisheries and the production of toxic gases for humans. In marine systems, two well studied regime shifts happen in coral reefs and kelp forests. Coral reefs are three dimensional structures which work as habitat for marine biodiversity. Hard coral dominated reefs can shift to a regime dominated by fleshy algae; but they also have been reported to shift towards soft corals, corallimorpharians, urchin barrens or sponge dominated regimes. Coral reef transitions are reported to affect ecosystem services like calcium fixation, water cleansing, support for biodiversity, fisheries productivity, coastline protection and recreational services. On the other hand, kelp forests are highly productive marine ecosystems found in temperate regions of the ocean. Kelp forests are characteristically dominated by brown macroalgae and host high levels of biodiversity, providing provisioning ecosystem services for both the cosmetic industry and fisheries. Such services are substantially reduced when a kelp forest shifts towards urchin barren regimes driven mainly by discharge of nutrients from the coast and overfishing. Overfishing and overharvest of keystone predators, such as sea otters, applies top down pressure on the system. Bottom up pressure arises from nutrient pollution. Soil salinization is an example of a well known regime shift in terrestrial systems. It is driven by the removal of deep root vegetation and irrigation, which causes elevation of the soil water table and the increase of soil surface salinity. Once the system flips, ecosystem services related with food production – both crops and cattle – are significantly reduced. Dryland degradation, also known as desertification, is a well known but controversial type of regime shift. Dryland degradation occurs when the loss of vegetation transforms an ecosystem from being vegetated to being dominated by bare soils. While this shift has been proposed to be driven by a combination of farming and cattle grazing, loss of semi nomad traditions, extension of infrastructure, reduction of managerial flexibility and other economic factors, it is controversial because it has been difficult to determine whether there is indeed a regime shift and which drivers have caused it. For example, poverty has been proposed as a driver of dry land degradation, but studies continuously find contradictory evidence. Ecosystem services affected by dry land degradation usually include low biomass productivity, thus reducing provisioning and supporting services for agriculture and water cycling. Polar regions have been the focus on research examining the impacts of climate warming. Regime shifts in polar regions include the melting of the Greenland ice sheet and the possible collapse of the thermohaline circulation system. While the melting of the Greenland ice sheet is driven by global warming and threatens worldwide coastlines with an increase of sea level, the collapse of the thermohaline circulation is driven by the increase of fresh water in the North Atlantic which in turn weakens the density driven water transport between the tropics and polar areas. Both regime shifts have serious implications for marine biodiversity, water cycling, security of housing and infrastructure and climate regulation amongst other ecosystem services.

Режимді ауыстырудың орын алғанын анықтау

Қазіргі танымал статистикалық әдістерді қолдану, мысалы, орташа стандартты ауытқулар, негізгі компоненттік талдау немесе жасанды нейрондық желілер. Дегенмен, жүйеде бірнеше тартымды факторлар бар деген гипотезаны статистикалық тұрғыдан жоққа шығару, нөлдік гипотезаның дұрыс екенін көрсетпейді.) және жаңа зерттеулерге әрі қарай шабыттандыру.

Ғылыми зерттеулердің шекаралары

Режимдік өзгерістерді зерттеу әртүрлі экожүйелерде және әртүрлі масштабта жүріп жатыр. Жаңа зерттеу салаларына режимдік өзгерістердің алдын ала болжаулары және модельдеудің жаңа түрлері кіреді.

Ерте ескерту сигналдары және критикалық баяулау

Критикалық ауысу. Мұндай сигналдардың барлық режим өзгерістері үшін қаншалықты тиімді екені және ерте ескертулер өзгерістен алшақтау үшін қажетті басқару шараларын қабылдауға жеткілікті уақыт беретіні әлі анық емес. Режим өзгерістерін анықтаудағы кеңістіктік үлгілердегі өзгерістер де зерттеу нысанына айналды.

Модельдеуге жаңа көзқарас

Зерттеудің тағы бір бағыты – модельдеуге жаңа тәсілдерді әзірлеу. Динамикалық модельдер, Бэйес сенім желілері, Фишер ақпараты және бұлыңғыр танымдық карталар режимдік өзгерістердің болуы мүмкін фазалық кеңістікті зерттеу және динамикалық шектік мәндерді анықтайтын динамиканы түсіну үшін құрал ретінде қолданылды. Модельдер – бұл шындықтың пайдалы, қарапайымдалған нұсқалары, олардың шектері нақты жүйені қазіргі түсіну деңгейімен және модельдеушінің болжамдарымен анықталады. Сондықтан, ықтимал режимдік өзгерістер динамикасын түсіну үшін себеп-салдарлық байланыстарды және кері байланыстардың күшін терең түсіну қажет. Дегенмен, мұндай терең түсінік тек жан-жақты зерттелген жүйелер үшін ғана қолжетімді, мысалы, сайысы аз көлдер үшін. Уақыт қатарлары деректерінің және жүйе динамикасын түсінудің шектеулі болуы мәселесін шешу үшін әдістемелерді дамыту қажет, бұл режимдік өзгерістердің негізгі қозғаушы күштерін анықтауға және басқару мүмкіндіктерін басымдыққа қоюға мүмкіндік беруі керек.

Басқа да жаңадан пайда болып жатқан аймақтар

Жер жүйесіндегі режимдердің өзгеруінің рөлі, режимдердің өзгеруінен туындайтын тізбектеп салдарлар және әлеуметтік-экологиялық жүйелердегі режимдердің өзгеруі сияқты зерттеудің басқа да жаңа салалары пайда болуда.