2.5. Саморегуляция и стабильность экосистем
Относительно стабильное соотношение скоростей автотрофных и гетеротрофных процессов на 3емле существует благодаря способности экосистем и биосферы к саморегуляции, которая поддерживает экологическое равновесие.
Все биосистемы, в том числе организмы, популяции и экосистемы, имеют кибернетическую природу (греч. kybernetike - искусство управления) и характеризуются развитыми информационными сетями, состоящими из потоков физических и химических сигналов, связывающих все их части в единое целое. Эти потоки ( «невидимые провода природы») управляют системой, подобно тому, как гормональная и нервная системы связывают все части организма и управляют им.
Для обеспечения работы информационной связи необходимы три элемента: рецептор, который воспринимает сигнал изменения или нарушения в системе; анализатор, который принимает, оценивает и анализирует информацию, посылаемую рецептором, и преобразователь, который изменяет или восстанавливает нарушенное состояние системы и с помощью обратного сигнала подает информацию преобразователю.
Рассмотрим механизм управления на уровне организма. Например, при повышении температуры тела рецептор кожи посылает информацию по «нервным проводам» в определенный участок мозга - анализатор. Последний, в свою очередь, посылает информацию преобразователю - потовыделяющим железам. Пот испаряется, и организм охлаждается. Когда температура нормалиауется, кожные рецепторы посылают новую информацию в мозг, который подает сигнал обратной свяви преобразователю для прекращения потоотделения.
В популяционных системах и экосистемах управление также чаще всего основано на обратных связях, когда часть сигналов с выхода из системы вновь поступает на вход, регулируя состояние системы на выходе. Этот процесс обычно изображают обратной петлей, через которую «стекающая вниз» во вторичную субсистему информация вновь подается на первичную субсистему (рис. 2.12).
Рис. 2.12. Управляющие механизмы экосистем с помощью обратной связи (по Ю. Одуму, 1986, с изменениями)
Обратные информационные связи необходимы для сохранения, равновесия в биосистемах. Обратные связи бывают положительными и отрицательными.
Положительная обратная связь является как бы «саморазгоняющейся», Она усиливает однонаправленные изменения в системе дополнительной информацией, поступающей с выхода системы на вход. Например, страна А увеличивает производство вооружения. Это служит сигналом стране Б для выпуска дополнительного вооружения, что является сигналом обратной положительной связи для страны А, которая начинает производить еще больше оружия. Соответственно и страна Б наращивает вооружение и т. д. Этот процесс может продолжаться до тех пор, пока одна или обе страны не обанкротятся или не подорвут себя и соседние страны. Положительная обратная связь может «расшатывать» систему и даже разрушать ее, если не поступят сигналы обратной отрицательной связи. В приведенном примере сигналом отрицательной обратной связи может служить банкротство одной из стран, которое приведет к снижению гонки вооружения в обеих странах.
Положительная обратная информационная связь не всегда губительна. Так, если вы вызываете положительные эмоции и доверие у делового партнера, он отвечает вам взаимностью, что вызывает у вас ответную реакцию, деловой интерес возрастает у обоих компаньонов и т. д. Положительная обратная связь усиливает положительные отклонения и в значительной степени определяет рост и выживание организмов, хотя может приводить и к нарушению равновесия. Для осуществления контроля необходима отрицательная обратная связь.
Отрицательная обратная связь - это поток информации в систему, противодействующий изменениям внешних условий. Она помогает избегать перенаселения, перепроизводства продукции, перегрева и т. д. Устройства для управления с помощью обратных связей используются и в технических системах. В технике они называются сервомеханизмами. Сервомеханизмы имеют механические регуляторы, расположенные в «постоянной точке», Например, для поддержания постоянной температуры в помещении, термостате или холодильнике терморегулятор управляет нагревательным прибором, отключая или включая его (рис. 2.13).
Рис. 2.13. Регуляция заданной температуры в помещении (по Ю. Одуму, 1975)
Другие регуляторы отключают утюг, чайник, стиральную машину и др.
Для живых систем используют термин «гомеостатические механизмы», или «гомеостаз» (греч. homos - одинаковый, stasis - состояние), т. е. механизмы, поддерживающие стабильное состояние.
Гомеостаз - это регуляторные механизмы живых систем.
У теплокровных животных регуляция температуры тела осуществляется специальным центром в мозгу. Другие центры поддерживают постоянное кровяное давление, сердечный ритм и т. д.
В популяционных и экологических системах в отличие от организмов и сервомеханизмов возникает саморегулирующийся гомеостаз без регуляции извне из «постоянной точки»,
Гомеостаз - это способность биосистем, в том числе популяционных и экологических, поддерживать устойчивое динамическое равновесие в изменяющихся условиях среды с помощью обратных связей.
Для поддержания гомеостаза в природе не требуется внешнее управление. В популяционных системах гомеостаз направлен, в основном, на поддержание стабильной численности популяции (рис. 2.14).
Рис. 2.14. Гомеостаз в популяции животных, регулируемый доступностью пищи
Поддержание определенной численности получило название гомеомтаза популяций. В основе его лежат изменения физиологических особенностей роста, поведение каждой особи в ответ на увеличение или уменьшение числа организмов популяции, к которой принадлежит данная особь, наличие пищевых ресурсов и др.
При опасности «перенаселения» могут действовать и другие механизмы популяционного гомеостаза, например, самоизреживание растений. При большой густоте всходов часть растений неминуемо погибнет в результате угнетения более сильными соседями, так как имеют значение размеры, время появления всходов, особенности микроокружения и другие факторы. Механизмы гомеостаза популяций достаточно разнообразны. Иногда наблюдаются очень жесткие формы саморегуляции. Например, в пресноводных водоемах, где нет других рыб, может наблюдаться перенаселение окуня. В этом случае популяция окуня может поддерживать свое существование и регулировать численность за счет питания взрослых рыб собственной молодью.
На уровне экосистем кибернетическую природу труднее выявить, так как они управляются несколько иначе, чем системы организменного уровня или технические системы. Компоненты экосистемы связаны в информационные сети физическими, химическими и биологическими «посредниками», и эти связи более сложны и завуалированы.
В число управляющих механизмов на уровне экосистемы входят, например, такие субсистемы, как редуценты, регулирующие накопление и высвобождение биогенных элементов, необходимых растениям. Субсистема хищник-жертва, например, управляет плотностью популяций хищника и жертвы с помощью посредника - популяции кормового растения (рис. 2.16).
Рис. 2.16. Управление с помощью положительных и отрицательных обратных связей в экосистеме хищник-жертва-корм жертвы (по Ю. Одуму, 1975)
Помимо обратных связей равновесие и стабильность экосистем обеспечивается и другими механизмами. Например, избыточностью компонентов, выполняющих одинаковую функцию. Если в сообществе имеется несколько видов растений, каждое из которых развивается в своем температурном диапазоне, то скорость фотосинтеза экосистемы в течение всех сезонов года может оставаться неизменной, несмотря на колебания температур.
На рис. 2.17 сравнивается регуляция, основанная на обратной связи (А), с регуляцией, основанной на избыточности организмов, выполняющих одинаковые функции (Б).
Рис. 2.17. Два разных механизма, обеспечивающих стабильность в экосистеме (по Wiegert, 1990)
А - стабильность обеспечивается обратной связью; Б - стабильность обеспечивается избыточностью функциональных компонентов (lA, lB, lC). В обоих случаях значение функции на выходе (х) остается неизменным, несмотря на возмущение. При отсутствии механизмов саморегуляции (гомеостаза) выходное значение функции изменилось бы (у).
Механизмы гомеостаза на уровне биосферы также разнообразны и вытекают из того, что известно на экосистемном уровне.
Например, состав атмосферы Земли, умеренные температуры, благоприятные для жизни условия кислотности - все это обеспечено ранними формами жизни. Координированное взаимодействие микроорганизмов, растений и животных сглаживало колебание физических факторов. Например, NH3, выделяемый животными организмами, поддерживает в воде и почве необходимую для жизни нейтральную и слабощелочную среду. Без этого значения рН за счет углекислоты, образующейся при дыхании, и других кислот были бы такими низкими, что организмы погибли бы.
Вспомним, что огромное количество С02, поступающего в атмосферу в результате жизнедеятельности человека, поглощается буферной карбонатной системой океана и автотрофами:
Но по мере увеличения притока СО2 буферная емкость биосферы может оказаться недостаточной, и в атмосфере установится новое соотношение между СО2 и О2. Должна произойти эволюционная подгонка, чтобы вновь появился гомеостатический контроль.
Огромное значение в сохранении равновесия в экосистемах и биосфере имеет биологическое разнообразие (биоразнообразие).
Биоразнообразие - наиболее ценный ресурс планеты, который возник в результате естественного отбора за миллиарды лет при взаимодействии двух процессов: видообразования и вымирания видов. Биоразнообразие включает два понятия: генетическое и видовое разнообразие.
Генетическое разнообразие, т. е. многообразие генетических программ у особей одного вида, - это гигантская генетическая библиотека, которая помогает всем видам совершенствоваться, использовать необходимые ресурсы, находить свое место в биосфере, приспосабливаться к изменениям в окружающей среде.
Видовое разнообразие - это многообразие различных видов организмов внутри какого-то биоценоза. Это «страховая политика» природы против катастроф, которая влияет на саморегуляцию экосистем и сохранение их стабильности.
Природа чрезвычайно вынослива. Живые организмы, популяции, экосистемы могут достаточно долго, но не беспредельно, поддерживать динамическое равновесие.
Итак, все живые существа и человек, так же как и популяционные и экологические системы, являются саморегулирующимися гомеостатическими системами, поддерживающими равновесие главным образом за счет обратных связей.
Следовательно, все биосистемы и экосистемы в том числе способны поддерживать относительную стабильность своего состояния.
Стабильность экосистем в экологии означает свойство любой системы возвращаться в исходное состояние после того, как она была выведена из состояния равновесия. Стабильность определяется устойчивостью экосистем к внешним воздействиям. Выделяют два типа устойчивости: резистентную и упругую.
Резистентная устойчивость (лат. resistentia - сопротивляемость) - это способность экосистемы сопротивляться: нарушениям, поддерживая: неизменными свою структуру и функции.
Упругая устойчивость - способность системы быстро восстанавливаться после нарушения: структуры и функций.
Системе трудно одновременно развить оба типа устойчивости: они связаны обратной связью.
Например, калифорнийский лес из секвойи устойчив к пожарам (высокая: резистентная устойчивость), но если сгорит, то восстанавливается очень медленно или вовсе не восстанавливается: (низкая упругая: устойчивость). А заросли вереска очень легко выгорают (низкая резистентная: устойчивость), но быстро восстанавливаются: (высокая: упругая: устойчивость).
Человек - самое могущественное существо, способное изменять функционирование экосистем. Человеческий мозг до сих пор опирался: в основном на положительную обратную связь. Это привело к росту техники, уровня: жизни и одновременно - к истощению природных ресурсов и загрязнению окружающей среды. Пытаясь выкачать из природы все богатства, человек ломал механизмы ее самовосстановления. Этот процесс в конце концов приведет к снижению качества жизни и разрушению окружающей среды, если не будут найдены пути адекватного управления: с помощью отрицательных обратных связей.
Стремясь снизить уровень загрязнения: окружающей среды, человек должен в равной степени стремиться: к сохранению всех механизмов саморегуляции, поддерживающих естественные системы жизнеобеспечения: планеты, т. е. к сохранению установившегося: в природе экологического равновесия.
Возможности природы восстанавливаться: даже после катастроф очень велики. Человечество пережило немало природных и социальных потрясений: чума, извержения вулканов (гибель Помпеи), землетрясения, тайфуны, цунами, техногенные катастрофы, опустошительные войны, революции и др.
В естественных экосистемах одни виды вымирают, их место занимают другие. Исчезнувшие леса, поля, поселения со временем могут заменяться: другими системами. В биосфере идет постоянный процесс изменения и развития экосистем.
Лекция составлена на основе:
ЭКОЛОГИЯ: Учебник для технических вузов/Л. И. Цветкова, М. И. Алексеев, Ф. В. Кармазинов, Е. В. Неверова-Дзиопак; Под ред. Л. И. Цветковой. -СПб.: Новый журнал, 2012. -452 с.: ил.
Для дополнительного чтения рекомендуется пользоваться интернет ресурсами:
Гордиенко, В. А. Экология. Базовый курс для студентов небиологических специальностей : учебное пособие / В. А. Гордиенко, К. В. Показеев, М. В. Старкова. — Санкт-Петербург : Лань, 2014. — 640 с. — ISBN 978-5-8114-1523-6. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/42195 (дата обращения: 23.03.2020). — Режим доступа: для авториз. пользователей.
Стр 218 – 229
Третьякова, Н. А. Основы экологии : учебное пособие для вузов / Н. А. Третьякова ; под научной редакцией М. Г. Шишова. — Москва : Издательство Юрайт, 2020. — 111 с. — (Высшее образование). — ISBN 978-5-534-09560-9. — Текст : электронный // ЭБС Юрайт [сайт]. — URL: http://biblio-online.ru/bcode/454884 (дата обращения: 23.03.2020). Часть первая.