ECOSYSTEM DYNAMICS AND EVOLUTION: MULTIPLICITY OF STEADY STATES AND TIPPING POINTS. NECESSITY OF NEW UNDERSTANDING
Keywords:
ecosystem dynamics, evolution, alternative steady states, tipping points of no return, destabilization, variabilityAbstract
The dynamics of ecosystems and evolution are characterized by common general pecularities, dictating the necessity of new paradigm. Basis of new paradigm are conception of multiplicity of the stable states of the biological systems and saltatory transitions from one steady state of the system in alternative one. Current paradigm is based on unicity of point of global stability of the biological systems and prevailing of smooth changes of the system in a neighborhood of point of stability. In the emerging paradigm dynamics of systems (individual, population, community, ecosystem), and its evolution is characterized by two stages - the coherent evolution / dynamics and incoherent. Each of the stages in turn includes two stages. During coherent stage a system realizes a smooth adaptation to the changing environment within the existing norms of reaction; during incoherent stage – there are destabilization of system and its transformation in new state. In dynamics / the evolution of systems there are tipping points, after the passage of which the system can not return to the previous stable state and will inevitably be transformed into a new state. The article deals with the terms and provisions of the new concept; we consider three complementary approaches estimate the proximity of the system to the tipping point.
References
Винберг Г. Г. Планктонологические и физико-химичекские исследования Попова пруда // Применение методов физической химии к изучению биологии пресных вод. – М.: Изд-во Ин-та народн. здравоохр., 1928. – С. 352 – 364.
Винберг Г. Г. Многообразие и единство жизненных явлений и количественные методы в биологии. // Журн. общей биологии. – 1981. – 42: №1.–С. 5 – 18.
Винберг Г., Дорфман В., Морозов В. Общая биология. – Под. ред. проф. Э.С. Бауэра. – М.: Гос.уч.-пед. издат., 1935. – 524 с.
Заварзин Г. А. Недарвиновская область эволюции // Вестн. РАН. – 2000. – 70. – С. 403 – 411.
Заварзин Г. А. Становление системы биогеохимических циклов. // Палеонт. журн. – 2003. – 6.–С. 16 – 24.
Красилов В. А. Модель биосферных кризисов // Экосистемные перестройки и эволюция биосферы. Вып. 4. - М.: Палеонтол. ин-т. – 2001. – С. 9 – 16.
Михайловский Г.Е. Описание и оценка состояния планктонных сообществ. – М.: Наука, 1988.–214 с.
Назаров В. И. Эволюция не по Дарвину. Смена эволюционной модели. – M.: КомКнига, 2005. –520 с.
Празукин А. В., Бобкова А. Н., Евстигнеева И. К. Структура и сезонная динамика фитокомпоненты биокосной системы морского гиперсоленого озера на мысе Херсонес (Крым) // Мор. экол. журн. – 2008. – 7, № 1. – С. 61 – 79.
Пузаченко Ю. Г. Биологическое разнообразие вбиосфере – системологический и семантический анализ // Биосфера. – 2009. http://www.biosphere21century.ru/articles/150.
Сорохтин О. Г. Жизнь Земли. – М.–Ижевск: Ин-т компьютерных исследований, 2007. – 450 с.
Стенли Г. Фазовые переходы и критические явления. – М.: Мир, 1973. – 419с.
Терентьев П. В. Метод корреляционных плеяд // Вестн. ЛГУ. – 1959. – № 9. – С. 137 – 141.
Хлебович В.В. Дискретные адаптивные нормы: механизмы и роль в эволюции //Тр. Зоол. ин-та РАН. Приложение 1. – 2009. – С. 219 – 231.
Шадрин Н. В. Виды-вселенцы в Азовском и Черном морях: причины и последствия // Виды-вселенцы в Европейских морях России – Апатиты, 2000. – С. 76 – 90.
Шадрин Н.В. О необходимости нового эволюционного синтеза и участия в нём гидробиологов //Мор. экол. журн. – 2009. – 8, № 2. – С. 80 –90.
Шадрин Н. В. Особенности экосистем гиперсоленых озер Крыма и новая экосистемная парадигма // Наук. зап. Тернопільськ. нац. пед. ун-ту iм. Володимира Гнатюка. Сер: Біол. – 2010. – №4 (45). – С. 102-106.
Шадрин Н. В., Губанова А. Д., Попова Е. В. Долговременные изменения таксоцена Acartia(Copepoda) в Севастопольской бухте // Акватория и берега Севастополя: экосистемные процессы и услуги обществу. – Севастополь: Аква-вита, 1999. – С. 159 – 167.
Шадрин Н.В., Ковалева Т.М., Акинина И.Б. Суточные ритмы в питании и поведении копепод // Трофические связи и их роль в продуктивности природных водоемов. – Л., 1983. – С. 84 – 89.
Шадрин Н. В., Миронов С. С., Веремеева Е. В. Флуктуирующая асимметрия двустворчатых моллюсков песчаной сублиторали у берегов Крыма (Черное море) // Экология моря. – 2005. –Вып. 68. – С. 93 – 98.
Шашуловский В. А., Мосияш С. С., Малинина Ю.А. Динамика устойчивости экосистемы Волгоградского водохранилища // Поволжский экологический журн. – 2005. – №3. – С. 325 – 335.
Andersen T., Jacob Carstensen J., Duarte C.M. Ecological thresholds and regime shifts: approachesto identification // Trends in Ecology and Evolution. – 2009. – 24, № 1. – P. 49 – 57.
The Arctic in the Earth System perspective: the role of tipping points. Abstracts, 26-29 January 2011, Tromso, Norway. http://www.arctic-froiers.com/in-dex.php?option=com_docman&task=doc_download&gid=380&Itemid=306&lang=en.
Boero F. Marine Sciences: from natural history to ecology and back, on Darwin’s shoulders // Advances in Oceanography and Limnology. – 2010. – 1, № 2. – P. 219–233.
Brock W. A., Carpenter S. R. Variance as a leading indicator of regime shift in ecosystem services. Ecology and Society. - 2006. – 11, 9. URL:http://www.ecologyandsociety.org/vol11/iss2/art9/
Carney H. J., Havens K. E., Bersier L.-F. Nonlinear scale dependence and spatiotemporal variability in planktonic food webs // Oikos.–1997.–79.–P.230-240.
Casini M., Hjelm J., Molinero J. - C. Trophic cascades promote threshold-like shifts in pelagic marine ecosystems // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. –2009. – 106. – P. 197–202.
Dent C. L., Cumming G. S., Carpenter S. R. Multiple states in river and lake ecosystems // Phil. Trans. R. Soc. Lond. B. – 2002. – 1421. – Р. 635 – 645.
Etter W. Patterns of Diversification and Extinction // Handbook of Paleoanthropology, Part 1. W. Henke, I. Tattersall (Eds.). – Berlin: Springer-Verlag, 2007. – P. 441 – 501.
Ezard T. H. G., Côté S. D., Pelletier F. Ecoevolutionary dynamics: disentangling phenotypic, environmental and population fluctuations // Phil. Trans. R. Soc. B. – 2009. – 364. – P. 1491 – 1498.
Gomoiu M.-T., Alexandrov B., Zaitsev Y. The BlackSea-a Recipient, Donor and Transit Area for Alien Species // Invasive Aquatic Species of Europe. Distribution, Impacts and Management – Dordrecht; Boston; London, 2002. – P. 341 – 350.
Gunderson L. H. Resilience in theory and practice // Review of Ecology and Systematics. – 2000. – 31. – P. 425 – 439.
Gunderson L., Holling C. S. (Eds.) Panarchy: understanding transformations in human and natural systems. – Washington: Island Press, 2002. – 450pp.
Hoffman P. F., Schrag D.P. The snowball Earthhypothesis: testing the limits of global change // Terra Nova. – 2002. – 14, № 3. – P. 129–155.
Holling C. S. Resilience and stability of ecological systems // Annual Review of Ecological Systems. – 1973. – 4. – P. 1–23.
Holling C. S. Understanding the Complexity of Economic, Ecological, and Social Systems // Ecosystems. – 2001. – 4. – P. 390–405.
Kirschivink J. L. Late Proterozoic Low-Latitude Global Glaciation: the Snowball Earth / J. W.Schopf, C. Klein (eds.) The Proterozoic Biosphere: A Multidisciplinary Study. – Cambridge Univ.Press, 1992. – P. 51-52.
Kopp R. E., Kirschvink J. L., Hilburn I. A. The Paleoproterozoic snowball Earth: A climate disaster triggered by the evolution of oxygenic photosynthesis // PNAS. – 2005. – 102, № 32. – P. 11131–11136.
Levin S.A. Fragile dominion: Complexity and the commons. - Massachusetts: Perseus Books Group, 1999. – 250 p.
Lewontin R. C. Meaning of stability // Brookhaven Symposia in Biology. – New York: Brookhaven Laboratory. – 1969. – № 22. – P. 13 – 24.
Loreau M. Linking biodiversity and ecosystems: towards a unifying ecological theory // Phil. Trans. R. Soc. B. – 2010. – 365. – P. 49–60.
May R.M. Stability and complexity in model ecosystems. – N.Y.: Princeton Univ. Press, 1974. – 236 p.
Mayewskia P.A., Rohlingb E.E., Stager J.C. Holocene climate variability// Quaternary Research. – 2004. - 62. – P. 243 – 255.
Melbourne BA, Chesson P. Scaling up population dynamics: integrating theory and data // Oecologia. – 2005. – 145. – P. 179 – 187.
Miles N.L., Verlinde J. Observations of Transient Linear Organization and Nonlinear Scale Interactions in Lake-Effect Clouds. Part II: Nonlinear Scale Interactions // Mon. Wea. Rev. – 2005. – 133.–P. 692–706.
Neubert M.G., Caswell H. Alternatives to resilience for measuring the responses of ecological systems to perturbations // Ecology. – 1997. – 78. – P. 653–665.
Peters D.P.C., Havstad K.M. Nonlinear dynamics in arid and semi-arid systems: Interactions among drivers and processes across scales // Journal of Arid Environments. – 2006. – 65. - P. 196-206.
Peters D. P.C., Roger A. Pielke R.A., BestelmeyerB.T. Cross-scale interactions, nonlinearities, and forecasting catastrophic events // PNAS. - 2004. –101. – P. 15130 – 15135.
Peterson G.D., Allen C.R., Holling C.S. Ecological resilience, biodiversity, and scale // Ecosystems. – 1998. – 1. – P. 6–18.
Petraitis P. S., Methratta E. T., Rhile E. C. Experimental confirmation of multiple community statesin marine ecosystems // Oecologia. – 2009. – 161,№ 1. – Р. 139 – 148.
Post D. M., Palkovacs E. P. Eco-evolutionary feedbacks in community and ecosystem ecology: interactions between the ecological theatre and the evolutionary play // Phil. Trans. R. Soc. B. – 2009. - 364. – P. 1629–1640.
Scheffer M., Bascompte J., Brock W.A. Early-warning signals for critical transitions // Nature. –2009. - l 461. – P. 53-59.
Scheffer M., Carpenter S., Foley J. A. Catastrophic shifts in ecosystems // Nature. – 2001. – 413. – P.501-596.
Schoener T.W. The Newest Synthesis: Understanding the Interplay of Evolutionary and Ecological Dynamics // Science. – 2011. – 331, № 6016. – P.426 – 429.
Small R.J., de Szoekea S.P., Xiea S. P. Air-sea interaction over ocean fronts and eddies // Dynamics of Atmospheres and Oceans. – 2008. – 45. – P. 274–319.
Stegen J.C., Swenson N.G. Functional trait assembly through ecological and evolutionary time // Theor. Ecol. –2009. – 2. – P. 239–250.
Suding K. N., Katherine L. Gross K.L., HousemanG.R. Alternative states and positive feedbacks in restoration ecology // TRENDS in Ecology and Evolution. – 2004. – 19, № 1. – P. 46 – 53.
Thompson J. N. Rapid evolution as an ecological process // Trends in Ecology & Evolution. – 1998. –13. – P. 329 – 332.
Uvarov B. P. Notes on Locusts of Economic Importance, with some new Data on the Periodicity of Locust Invasion // Bulletin of Entomological Res. – 1923. – 14. – P. 31 – 39.
Walker B., Holling C. S., Carp S.R. Resilience, adaptability and transformability in social-ecological systems // Ecol. Soc. – 2004. – 9(2): 5. [online] URL: http://www.ecologyandsociety.org/vol9/iss2/art5
Williamson P.G. Palaeontological documentation of speciation in Cenozoic mollusks from Turkana Basin // Nature. – 1981. – 293. – P. 437 – 443.
