Гомеостаз экосистем

УСТОЙЧИВОСТЬ И РАЗВИТИЕ ЭКОСИСТЕМ

Устойчивостью экосистем называется их способность противостоять колебаниям внешних факторов и сохранять свою структуру и функциональные особенности. Устойчивая экосистема возвращается в исходное состояние после того, как она была выведена из равновесия. Различают два типа устойчивости: резистентную и упругую.

Резистентная устойчивость − это способность экосистемы сопротивляться нарушениям, поддерживая неизменными свою структуру и функции.

Упругая устойчивость − способность системы быстро восстанавливаться после нарушения структуры и функций.

Система редко обладает двумя типами устойчивости. Большинство систем устойчивы либо резистентны, либо упруги. Например, некоторые породы деревьев сравнительно устойчивы к пожарам, но, если сгорают, то практически не восстанавливаются(высокая резистентная, но низкая упругая устойчивость). Наоборот, травянистые насаждения сгорают быстро, но легко и восстанавливаются (высокая упругая устойчивость).

Основная причина устойчивости экосистем − сбалансированность потоков вещества и энергии. Устойчивая экосистема должна в необходимом количестве получать вещества из окружающей среды и избавляться от отходов. В зависимости от способа поддержания устойчивости экосистемы делятся на открытые и закрытые.

1) В открытые экосистемы непрерывно поступают энергия и вещество из окружающей среды. В таких экосистемах постоянно идут процессы накопления и разложения вещества. К этому типу относятся природные экосистемы, равновесие в них поддерживается самопроизвольно.

2) В закрытых экосистемах нет постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой. Система неспособна избавляться от ненужных продуктов. Равновесие в этом случае может поддерживаться искусственно. Без вмешательства извне закрытые системы неустойчивы и быстро теряют устойчивость. Примером являются многие антропогенные системы. Так, обычный комнатный аквариум представляет собой закрытую экосистему, равновесие в которой поддерживается человеком путем ввода питательных веществ и удаления продуктов разложения. Еще одним примером закрытых экосистем могут быть жилые дома, существующие за счет подвода веществ, энергии из окружающей среды, вывоза мусора. Более перспективны экодома (открытые экосистемы), в которых создаются замкнутые потоки вещества, отчасти и энергии, путем вторичного использования отходов.

Рассмотрим механизмы поддержания равновесия, действующие в открытых природных экосистемах. На любую экосистему постоянно действует большое количество экологических факторов, стремящихся вывести ее из состояния равновесия. Устойчивая система находится в состоянии подвижно-устойчивого равновесия: отклонение от него приводит в действие силы, возвращающие систему в состояние равновесия.

Способность популяции или экосистемы поддерживать подвижно-устойчивое равновесие при изменении условий окружающей среды называется гомеостазом экосистем.

Механизм поддержания гомеостаза основан на двух принципах.

1) Принцип цикличности заключается в многократном использовании биогенных веществ в процессе биологического круговорота. Это делает практически неисчерпаемыми запасы минеральных веществ в экосистеме.

2) Принцип «обратной связи» заключается в том, что отклонение экосистемы от состояния равновесия приводит в действие силы, возвращающие ее в равновесное состояние. Различают положительную и отрицательную «обратную связь».

«Положительная обратная связь» добавляет помехи и стремится вывести экосистему из состояния равновесия.

«Отрицательная обратная связь» стремится скомпенсировать отклонения и вернуть систему в состоянии равновесия.

Подобный кибернетический принцип широко используется в технике в таких приборах, как термостаты, нагреватели, холодильники и др. При выключенном моторе в этих устройствах действует «положительная обратная связь» − происходит отклонение температуры от заданной (равновесной) величины. На определенном этапе мотор включается и происходит возвращение системы к равновесным параметрам («отрицательная обратная связь»).

В отличие от технических систем, в природных устойчивых системах управляющие механизмы находятся не вне, а внутри системы.

Принцип «обратной связи» может действовать на уровне организмов (например, регулирование температуры тела), на уровне популяций (регулирование плотности), любой экосистемы (запасание и высвобождение питательных веществ, синтез и разложение органических соединений) и всей биосферы в целом.

Рассмотрим простой пример гомеостаза экосистем, осуществляющегося на основе принципа обратной связи. Возьмем систему, в которой взаимодействуют две популяции: хищники и жертвы, например волки и олени (рис.). При каком-либо отклонении от состояния равновесия, например, увеличении популяции оленей, в системе начинает «действовать положительная обратная связь» («+»). При этом, вследствие увеличения количества пищи, возрастает и численность популяции волков. Но на этом этапе начинает действовать «отрицательная обратная связь» («−»), возвращающая систему в равновесие. Количество оленей из-за увеличения количества хищников снижается, что ведет к снижению численности популяции волков (из-за нехватки пищи, эпидемий и т.п.) Через некоторое время плотность обеих популяций приходит к оптимальному соотношению, соответствующему равновесию.

Рис. 14. Схема действия принципа обратной связи

Если в какой-либо экосистеме уничтожается хищный вид, нарушается действие «принципа обратной связи». Сначала происходит быстрый рост численности жертв, что приводит к истощению запасов окружающей среды и к увеличению количества паразитов. Все это иногда заканчивается необратимым нарушением равновесия экосистемы.

Действие гомеостатических механизмов имеет свои пределы, при достижении которых дальнейшее увеличение положительной обратной связи ведет к необратимому нарушению всех процессов в экосистеме. Состоянию равновесия соответствует гомеостатическое плато (рис.15) − участок, на котором «положительной обратной связи» противопоставлена «отрицательная обратная связь». При увеличении этих пределов происходит подавление жизнедеятельности организмов вплоть до их гибели.

Рис.15. Гомеостатическое плато

Надежный гомеостатический контроль устанавливается только после длительной эволюции. Новые экосистемы более подвержены резким колебаниям и менее способны противостоять внешним воздействиям.

Природа не имеет гомеостатических механизмов, которые могли бы справиться с загрязнением окружающей среды. Установлено, что биосфера способна скомпенсировать любые возмущения, доля которых не превышает 1% ее продукции. В настоящее время этот предел превышен в 10-15 раз. Антропогенное воздействие привело к тому, что природные экосистемы и вся биосфера стали терять способность к компенсации внешних воздействий.

Дата добавления: 2015-05-26