2. Гомеостаз экосистемы

Гомеостаз – способность биологическим систем – организма, популяции, экосистем – противостоять изменениям и сохранять равновесие. Исходя из кибернетической природы экосистем – гомеостатический механизм – это обратная связь. Например, у пойлокилотермных организмов изменение температуры тела регулируется специальным центром в мозке, куда постоянно поступает сигнал обратной связи, содержащие данные об отклонении от нормы, а от центра поступает сигнал, возвращаюсь температуру к норме. В механических системах аналогичный механизм называют сервомеханизмом, например, термостат управляется печью. Для управления экосистемами не требуется регуляция извне – это саморегулирующаяся система. Саморегулирующий гомеостаз на экосистемном уровне обеспечен множеством управляющих механизмов. Один из них – субсистема «хищник-жертва».

Рост популяции хищника

^-

₊

Рост популяции жертвы

Рис 2. Взаимодействие положительной (+) и отрицательной (-) обратных связей в системе «хищник-жертва»

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 засчет увеличения численности популяции хищников. Рис. 2 отлично иллюстрирует процесс коэволюции в системе «хищник-жертва», так как в этой «связке» развиваются и взаимные адаптационные процессы. Если в эту систему не вмешиваются другие факторы (например, человек уничтожил хищника), то результат саморегуляции будет описываться гомеостатическим плато (рис. 3) – областью отрицательных связей, а при нарушении системы начинают преобладать обратные положительные связи, что может привести к гибели системы.

Рис. 3 Представление о гомеостатическом плато, в пределах которого поддерживается относительное постоянство вопреки условиям, вызывающим отклонения

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

3. Помехи в экосистеме

   1. Понятие помех в экосистемы и механизмы устойчивости к ним

Экосистемы способны поддерживать свой гомеостаз при влиянии на них императивных факторов таких как: интенсивность солнечной радиации и атмосферных осадков, температура и влажность воздуха, скорость ветра, скорость заноса спор, семян и других зародышей или притока взрослых особей разных видов из других экосистем, а также различные формы антропогенного воздействия. Однако если на действие императивных факторов накладываются отрицательно влияющие на экосистему какие-либо другие факторы, как правило, не свойственные их природной окружающей среде, то взаимодействие этих двух видов факторов называют экологическим шумом или экологическими помехами. Экологические помехи нарушают отрицательную обратную связь элементов экосистемы, при этом происходит нарушение сбалансированности системы, которое может быть обратимым или необратимым. Другими словами, в системе возникнет критическое состояние - состояние кризиса. Кризис - это выход за пределы толерантности в область таких состояний, где организм перестает сопротивляться внешним нагрузкам. Последствиями перехода границ критических состояний выступают серьезные нарушения функций и смерть. На языке кибернетики эта ситуация характеризуется следующим образом: в каналах обратной связи между компонентами системы появились помехи. В естественных экосистемах помехи носят статистический, т.е. случайный, избирательный характер. Те особи, для которых помехи оказались непреодолимыми, погибнут. А более стойкие выживут, передав наследственную информацию потомкам. Существуют несколько типов механизмов устойчивости таких сообществ как экосистемы:

1. Абиотические механизмы: поддержание равновесия в системе только за счет абиотических факторов. Карбонатная система озера автоматически восстанавливает нейтральный баланс воды при изменении рН.

2. Физиологические механизмы: устойчивость любого организма к воздействию факторов среды характеризуется особенностями физиологического строения. Если бы не существовало регулирования интенсивности транспирации у растений, то обычные колебания температуры воздуха или перерывы в выпадении атмосферных осадков должны были бы сопровождаться гибелью здоровых особей или даже видов.

3. Фенотипические механизмы: пластичность наследственной организации живых существ позволяет им развиваться во взрослые формы, наиболее соответствующие конкретной окружающей среде. Из семян ели, сосны, кедра природа северной или горной лесотундры "воспитывает" стелющиеся жизненные формы, наиболее приспособленные к ветрам и зимнему холоду. Животные одного вида, выросшие в разных климатических условиях, отличаются длиной шерсти, толщиной подкожного жира и т.д. Эти морфологические признаки еще не закреплены наследственно, но в пределах одного поколения в значительной степени необратимы.

4. Двигательные механизмы: проблема выживания, поиск оптимальных условий среды и местообитания у животных решается в большей степени с помощью лап, крыльев, плавников.

5. Эволюционные механизмы: естественный отбор позволяет популяциям противостоять длительным изменениям среды путем выработки и закрепления в потомстве приспособлений (адаптаций).

6. Антропогенные механизмы: специфические устройства и приспособления, увеличивающие возможность оптимизации среды для человека - одежда, жилье, орудия труда, машины, оружие и т.д.

7. Экосистемные механизмы:

а) Многочисленные исследования показали, что экосистемы тем стабильнее во времени и пространстве, чем они сложнее. Иначе говоря, стабильность сообщества определяется числом связей между видами в трофических пирамидах. Растительность ослабляет влияние экстремальных температур, ветров, закрывает доступ видам из конкурирующих экосистем. Животные также препятствуют проникновению других видов, которые могут нанести ущерб данной экосистеме.

б) Помимо обратной связи стабильность обеспечивается избыточностью функциональных компонентов системы. Если в сообществе имеется несколько видов автотрофов, каждый из которых характеризуется своим температурным диапазоном функционирования, то скорость фотосинтеза сообщества в целом может оставаться неизменной, несмотря на колебания температуры. в) Для экосистем характерно не одно, а несколько состояний равновесия. При воздействии помех (факторов) экосистема может возвращаться не в исходное состояние, а в другое равновесное. Избыточное количество СО2, поступающее в атмосферу, поглощается карбонатной и другими системами моря, но по мере увеличения притока углекислого газа (в результате хозяйственной деятельности человека) в атмосфере формируются новые равновесия на несколько более высоком уровне. При этом состояние гомеостаза всей экосистемы устанавливается только после периода долгой эволюционной подгонки.

3.2. Характеристика некоторых видов помех

3.2.1. Загрязнение среды ксенобиотиками

Ксенобиотики — условная категория для обозначения чужеродных для живых организмов химических веществ, естественно не входящих в биотический круговорот. Как правило, повышение концентрации ксенобиотиков в окружающей среде прямо или косвенно связано с хозяйственной деятельностью человека. К ним в ряде случаев относят: пестициды, некоторые моющие средства (детергенты), радионуклиды, синтетические красители, полиароматические углеводороды и др. Попадая в окружающую природную среду, они могут вызвать повышение частоты аллергических реакций, гибель организмов, изменить наследственные признаки, снизить иммунитет, нарушить обмен веществ, нарушить ход процессов в естественных экосистемах вплоть до уровня биосферы в целом. ежегодное количество промышленных, транспортных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых выбросов оценивается более чем в 600 млн. тонн. С ними в окружающую среду попадает огромное количество химических соединений. В зависимости от свойств и условий среды химические вещества транспортируются в ней, трансформируются и разлагаются, или аккумулируются, поскольку не могут быть утилизированы. Первичные токсичные элементы (ртуть, мышьяк, селен, хром), используемые в технологических процессах, и вторичные токсические соединения на основе азота, серы и некоторых других элементов, появляющиеся в результате сжигания и переработки отдельных видов промышленного сырья и отходов, загрязняют почвенно-растительный слой и, кроме того, могут переходить и аккумулироваться в растениях. Такое накопление вредных веществ в почве, тканях растений и животных, а соответственно и в пище людей является очень опасным, особенно учитывая тот факт, что человек в большинстве случаев занимает высшее звено в пищевых цепях. Миграция антропогенных загрязнений по неразрывным природным цепям способствует быстрому распространению и проникновению загрязняющих веществ во все компоненты окружающей среды. Таким образом, загрязнению подвержены все основные среды жизни. Все живые существа постоянно подвергаются многократному, а часто и непрерывному, действию химических веществ. Чем совершеннее организм, чем подвижнее образ жизни, тем разнообразнее химическое окружение. В наибольшей степени это касается человека: он, в дополнение к естественным химическим продуктам, которые неизменно присутствуют в воздухе, воде, почве и пище, создал и продолжает изобретать все новые и новые соединения для производственной деятельности, быта и лечения. Все эти вещества чужеродны организму, а многие – чужды ему. Чтобы им противостоять, в процессе эволюции у животных и человека возникли приспособительные реакции. Без них животный организм не смог бы развиваться, воспроизводить себе подобных, словом, существовать.