3.2. Гомеостаз экосистемы

Г омеостаз – способность биологических систем – организма, популяции и экосистем – противостоять изменениям и сохранять равновесие. Исходя из кибернетической природы экосистем – гомеостатический механизм – это обратная связь. Например, у пойкилотермных животных изменение температуры тела регулируется специальным центром в мозгу, куда постоянно поступает сигнал обратной связи, содержащий данные об отклонении от нормы, а от центра поступает сигнал, возвращающий температуру к норме. В механических системах аналогичный механизм называют сервомеханизмом, например, термостат управляет печью.

Д

Рис.3.2 Элементы кибернетики в экосистеме хищник-жертва. а – взаимодействие положительной (+) и отрицательной (-) обраных связей в системе хищник-жертва; б – иллюстрация гомеостатического плато, в пределах которого поддерживается относительное постоянство вопреки условиям, вызывающим отклонения

ля управления экосистемами не требуется регуляция извне - это саморегулирующаяся система. Саморегулирующий гомеостаз на экосистемном уровне обеспечен множеством управляющих механизмов на этом уровне. Один из них – субсистема «хищник–жертва» рис. 3.2). Между условно выделенными кибернетическими блоками, управление осуществляется посредством положительных и отрицательных связей. Положительная обратная связь «усиливает отклонение», например, увеличивает чрезмерно популяцию жертвы. Отрицательная обратная связь «уменьшает отклонение», например, ограничивает рост популяции жертвы за счет увеличения численность популяции хищников. Эта кибернетическая схема (см. рис. 3.2, а) наглядно иллюстрирует процесс коэволюции в системе «хищник–жертва», так как в этой «связке» развиваются и взаимные адаптационные процессы (см. рис. 2.6). Если в эту систему не вмешиваются другие факторы (например, человек уничтожил хищника), то результат само­регуляции будет описываться гомеостатическим плато (см. рис. 3.2, б) – областью отрицательных связей, а при нарушении системы начинают преобладать обратные положительные связи, что может при­вести к гибели системы.

Наиболее устойчивы крупные экосистемы и самая стабильная из них – биосфера, а наименее устойчивы – молодые экосистемы. Это объясняется тем, что в больших экосистемах создается саморегули­рующий гомеостаз за счет взаимодействия круговоротов веществ и потоков энергии.

3.3. Энергетические потоки в экосистеме

Вся жизнь на Земле существует за счет солнечной энергии. Свет – единственный на Земле пищевой ресурс, энергия которого, в соеди­нении с углекислым газом и водой, рождает процесс фотосинтеза. Фотосинтезирующие растения создают органическое вещество, ко­торым питаются травоядные животные, ими питаются плотоядные и т. д., в конечном итоге, растения «кормят» весь остальной живой мир, т. е. солнечная энергия через растения как бы передается всем орга­низмам.

Энергия передается от организма к организму, создающих пище­вую, или трофическую цепь: от автотрофов, продуцентов (создателей) к гетеротрофам, консументам (пожирателям) и так четыре-шесть раз с одного трофического уровня на другой.

Трофический уровень – это место каждого звена в пищевой цепи. Первый трофический уровень – это продуценты, все остальные – консументы. Второй трофический уровень – это растительноядные консументы; третий – плотоядные консументы, питающиеся расти­тельноядными формами; четвертый – консументы, потребляющие других плотоядных и т. д. Следовательно, можно и консументов разделить по уровням: консументы первого, второго, третьего и т. д. порядков (рис. 3.3).

Ч етко распределяются по уровням лишь консументы, специали­зирующиеся на определенном виде пищи. Однако есть виды, питаю­щиеся мясом и растительной пищей (человек, медведь и др.), которые могут включаться в пищевые цепи на любом уровне.

П

Рис.3.3 Пищевые взаимосвязи организмов в биоценозе

ища, поглощаемая консументом, усваивается не полностью – от 12 до 20% в некоторых растительноядных, до 75% и более у плото­ядных. Энергетические затраты связаны прежде всего с поддержанием метаболических процессов, которые называют тратой на дыхание, оцениваемых общим количеством СО₂, выделенного орга­низмом. Значительно меньшая часть идет на образование тканей и некоторого запаса питательных веществ, т. е. на рост. Остальная часть пищи выделяется в виде экскрементов. Кроме того, значитель­ная часть энергии рассеивается в виде тепла при химических реакци­ях в организме и, особенно, при активной мышечной работе. В ко­нечном итоге вся энергия, использованная на метаболизм, превраща­йся в тепловую и рассеивается в окружающей среде.

Таким образом, большая часть энергии при переходе с одного тро­фического уровня на другой, более высокий, теряется. Приблизительно потери составляют около 90%: на каждый следующий уровень передается не более 10% энергии от предыдущего уровня. Так, если калорийность продуцента 1000 Дж, то при попадании в тело фитофага остается 100 Дж, в теле хищника уже 10 Дж, а если этот хищник будет съеден другим, то на его долю останется лишь 1 Дж, т. е. 0,1 % от калорийности растительной пищи.

Однако такая строгая картина перехода энергии с уровня на уро­вень не совсем реальна, поскольку трофические цепи экосистем слож­но переплетаются, образуя трофические сети. Но конечный итог: рас­сеивание и потеря энергии, которая, чтобы существовала жизнь, долж­на возобновляться.

Нельзя забывать еще и мертвую органику, которой питается зна­чительная часть гетеротрофов. Среди них есть и сапрофаги и сапрофиты (грибы), использующие энергию, заключенную в детрите. По­этому различают два вида трофических цепей: цепи выедания, или па­стбищные, которые начинаются с поедания фотосинтезируюших организмов, и детритные цепи разложения, которые начинаются с ос­татков отмерших растений, трупов и экскрементов животных.

Таким образом, входя в экосистему, поток лучистой энергии разбивается на две части, распространяясь по двум видам трофических сетей, но источник энергии общий – солнечный свет.

Продуктивность экологической системы – это скорость, с которой продуценты усваивают лучистую энергию в процессе фотосинтеза и хемосинтеза, образуя органическое вещество, которое затем мо­жет быть использовано в качестве пищи. Уровни производства органического вещества приведены в Приложении 4, П.2.