Механизмы саморегулирования в природных системах

Главным средством реализации управляющих функций является кибернетический механизм обратной связи, который подразумевает влияние процессов, явлений и событий, протеками на выходе системы, на входной сигнал. На языке кибернетики обратную связь можно определить как возвращение части сигнала с выхода системы на се вход.

В качестве примера действия обратной связи рассмотрим взаимозависимость следующих явлений. Как известно, многие виды бобовых растений на своих корнях образуют особые вздутия-клубеньки, в которых поселяются азотфиксирующие бактерии. Последние снабжают растения нитратами. Дополнительное поступление нитратного азота повышает продуктивность растения и увеличивает количество углеводов, потребляемых клубеньковыми бактериями, а это в свою очередь способствует усиле­нию фиксации азота.

• При повышении вулканической деятельности в атмосферу Земли поступают дополнительные количества углекислого газа СО₂ что может привести к росту его содержания в атмосферном воздухе. Однако в этих условиях усиливается фотосинтетическая активность зеленых растений, что в свою очередь вызывает повышенное потреб­ление растениями углекислого газа, а это способствует снижению его содержания в атмосфере.

Графическая модель управляемой системы с контуром обратной связи представлена на рис.

Рис. 1. Графическая модель контура обратной связи.

В зависимости от способа реализации кибернетического механизма кибернетические системы могут быть с внешним и с внутренним управлением (саморегулирующиеся системы).

В первом случае механизм управления локализован вне данной системы; обычно на более высоком иерархическом уровне. Такой тип управления характерен для антропогенных систем: агроценозов, искусственных водоемов и водотоков и др.

В первом из рассмотренных выше явлений обратная связь усиливает действие входного сигнала, (продуктивность растения увеличивается одновременно с ростом азотфиксирующей способности бактерий). Такую обратную связь принято называть положительной.

Во втором примере взаимосвязь явлений "гасит", нейтрализует внешнее воздействие (дополнительные количества углекислого газа, поступающие в атмосферу в периоды тектонической активности Земли, поглощаются зелеными растениями в процессе фотосинтеза. Это отрицательная обратная связь.

В зависимости от способа реализации кибернетического механизма кибернетические системы могут быть с внешним и с внутренним управлением (саморегулирующиеся системы). В первом случае механизм управления локализован вне данной системы; обычно на более высоком иерархическом уровне. Такой тип управления характерен для антропогенных систем: агроценозов, искусственных водоемов и водотоков.

Положительная и отрицательная обратная связь в природных экосистемах

Среди форм отношений между элементами различных систем в живой природе и в человеческом обществе одно из главных мест занимают парные взаимодействия, которые обобщенно могут быть обозначены как «ресурс-потребитель ресурса». Взаимодействия в каждой из таких пар можно представить в виде контура обратных связей. В качестве примера действия обратной связи рассмотрим взаимозависимость следующих явлений. Корни многих бобовых растений образуют симбиоз с клубеньковыми бактериями, которые снабжают растения нитратами. Это повышает продуктивность растения, увеличивают количество углеводов, потребляемых клубеньковыми бактериями, а это в свою очередь способствует усилению фиксации азота.

При повышении вулканической деятельности в атмосферу Земли поступают дополнительные количества СО₂, что может привести к росту его содержания. Однако это усиливает фотосинтетическую активность растений, что в свою очередь вызывает повышенное потребление растениями СО₂, а это способствует снижению его содержания в атмосфере. В кибернетике обратную связь определяют как возвращение части сигнала с выхода системы на ее вход. В первом случае обратная связь усиливает действие входного сигнала, (продуктивность растения увеличивается вместе с ростом азотфиксирующей способности бактерий). Такую обратную связь называют положительной. Такие связи не только не способствуют регуляции, а наоборот, генерируют дестабилизацию систем, приводя их либо к угнетению и гибели, либо к ускоряющемуся росту, за которым, как правило, также следует срыв и разрушение системы. Во втором случае взаимосвязь явлений «гасит», нейтрализует внешнее воздействие. Это отрицательная обратная связь.

На принципе отрицательной обратной связи построены все механизмы регуляции физиологических функций в любом организме и поддержание постоянства внутренней среды, т.е. гомеостаза любой авторегуляторной системы. Все экологические системы включают контуры отрицательных обратных связей. Системы, контролируемые внутренней обратной связью, обладают определенной независимостью поведения, проявляющиеся в их способности к саморазвитию и устойчивости.

Выделяют два типа простейших контуров обратной связи: усилитель сигнала и регулятор сигнала.

Регулятор сигнала – контур с отрицательной обратной связью. Этот механизм обеспечивает стабилизацию состояния системы, возмущаемой внешним воздействием. Примером действия отрицательной обратной связи в биоценозах может служить взаимодействие в системе «хищник-жертва». Рост численности популяции жертвы, обусловленный благоприятными внешними условиями вызывает рост численности популяции хищников, что в свою очередь, снижает численность жертвы, (контур работает по принципу «чем больше, тем меньше»). В целом такой контур имеет отрицательный знак. Это значит, что система авторегуляторна и может сама себя поддержать в рамках определенного уровня соотношения численностей.

Усилитель сигнала - контур с положительной обратной связью. Этот механизм обеспечивает экстенсивное развитие системы, т.к. приводит к еще большему отклонению состояния, чем - то, которое вызвало бы внешнее воздействие (входной сигнал) при отсутствии обратной связи. Действие положительной обратной связи можно рассматривать как процесс автостимуляции (самоускорения) системы, когда она на всякий внешний толчок реагирует возрастающим удалением от исходного состояния. Остановить ее в этом движении может только истощение ресурсов, необходимых для экстенсивного развития. Особенностью механизма «усилитель сигнала» является то, что при внешнем воздействии достаточной интенсивности вектор движения системы меняется на обратный. В сложных системах всегда сочетаются контуры обоих знаков.

Самостоятельная работа № 4

Строение биосферы и ее границы

Геобиосфера состоит из террабиосферы (с террабионтами) — поверхность суши, и литобиосферы (с литобионтами) — глубокие слои земной коры. Террабиосфера разделяется на фитосферу — про­странство от поверхности земли до верхушек деревьев (0—150 м), и педосферу (с педобионтами) — почвенный покров (до 2—3 м), нередко сюда включают всю кору выветривания. Литобиосфера (до 2—3 макси­мум до 6 км) включает гипотеррабиосферу (подтеррабиосферу) — слой, где возможна жизнь аэробов (до 1 — 1,5 км), ее нижняя граница совпадают с нижней границей подземной тропосферы (почвенным и подпочвенным воздухом) и теллуробиосферу (глубинобиосферу) — слой, где возможно обитание анаэробов (до 2—3, максимум до 6 км). Живые организмы в толще литобиосферы обитают в основном в по­рах горных пород, заполненных подземными водами.

Гидробиосфера включает маринобиосферу или океанобиосферу (с маринобионтами) — моря и океаны и аквабиосферу (с аквабионтами) — континентальные, главным образом, пресные воды, которая в свою очередь разделяется на лиманоаквабиосферу — стоячие континентальные воды и реоаквабиосферу — проточные континентальные воды. Кроме того, гидробиосфера делится на слои связанные, главным образом, с интенсивностью света: фото(био)сферу — относительно ярко освещенный слой (до 150—200 м), дисфото (био)сфе-ру — всегда сумеречный слой — проникает до 1 % солнечной инсоля­ции (от 200 м до 1,5—2 км), афото(био)сферу — слой абсолютной темноты, где невозможен фотосинтез (глубже 1,5—2 км).

Аэробиосфера состоит из тропобиосферы (с тропобионтами) — слой от вершин деревьев до высоты наиболее частого расположе­ния кучевых облаков (до 5—6 км), постоянно населенный живыми организмами,более тонкий,чем атмосферная тропосфера, и стратобиосферы (со стратобионтами), или альтобиосферы (с альтобионтами), — слой (от 5—6 до 6—7 км), где могут постоянно существовать микроорганизмы, главным образом в виде спор.

Лимитирующим фактором развития жизни в аэробиосфере служит наличие капель воды и положительных температур, а также твердых аэрозолей, поднимающихся с поверхности земли. На больших высотах в горах (около 6 км) расположена высотная часть террабиосферы — эоловая зона. Здесь уже невозможна жизнь высших растений и вообще организмов-продуцентов, но ветры приносят сюда с более низких вертикальных поясов органическое вещество и при отрицательных температурах воздуха еще достаточно тепла от прямой солнечной инсоляции для существования жизни. Это царство членистоногих и некоторых микроорганизмов — эолобионтов. Еще одним лимитирующим фактором проникновения жизни вверх является жесткое космическое излучение. На высоте 22—24 км от поверхности Земли наблюдается максимальная концентрация озона — озоновый экран. Озон образуется из кислорода воздуха под действием солнеч­ной радиации (0₂ —» 0₃). Озоновый экран отражает губительные для живых организмов космические излучения и частично ультрафиолетовые лучи.

Выше аэробиосферы расположена парабиосфера — слой (между 6—7 и 60—80 км), куда жизнь проникает лишь случайно и не часто, где организмы могут временно существовать, но не могут нормально жить и размножаться. Еще выше расположена апобиосфера, или «надбиосфера» (выше 60—80 км), куда никогда даже случайно не подни­маются живые организмы, но в незначительном количестве заносятся биогенные вещества (ее верхняя граница трудноуловима).

Жизнь в океанах достигает их дна. Живые организмы встречаются даже на глубине более 11 км, где температура воды около 200°С, но из-за высокого давления вода не кипит. Ниже, в базальтах, жизнь едва ли возможна.

Проникновение жизни в глубь литосферы ограничено высокими температурами земных недр и наличием жидкой влаги. В глубинах литосферы есть два теоретических предела распространения жизни — изотерма 100°С, ниже которой при нормальном атмосферном давле­нии вода кипит, а белки свертываются, и изотерма 460°С, где при любом давлении вода превращается в пар и жизнь принципиально невозможна (глубина 25 км). Перегретая жидкая вода обнаружена в литосфере до глубин 10,5 км. Нижняя граница жизни по литосфере фактически не опускается глубже 3—4, максимум 6—7 км на суше, и не более 1—2 км ниже дна океана.

Ниже геобиосферы расположена гипобиосфера («подбиосфера» — аналог парабиосферы в атмосфере) — слой, куда жизнь проникает лишь случайно и может здесь временно существовать, но не жить и размножаться. Еще ниже залегает метабиосфера — слой биогенных (преобразованных жизнью) пород, в котором ныне живые организмы не присутствуют (до 10—15 км). Образно выражаясь, это «следы былых биосфер». В ее нижней части процессы метаморфиз­ма горных пород стирают признаки жизни. Под метабиосферой расположена абиосфера («небиосфера») — слои литосферы, не испытывающие сейчас и никогда ранее не подвергавшиеся влиянию живых организмов (глубже 10—15 км).

Кроме того, разделяют такие понятия как эубиосфера, метабиосфера и панбиосфера. Эубиосфера (собственно биосфера) — слой между верхней границей гипобиосферы и нижней границей парабиосферы. Это область наиболее активной современной жизни. Мегабиосфера — эубиосфера вместе с гипобиосферой и метабиосферой вглубь, и до озонового экрана вверх, т.е. область нынешнего и прошлого воздействия жизни на природу Земли. Панбиосфера — мегабиосфера с артебиосферой (пространством человеческой экспансии в околоземной Космос). Это оболочка Земли, преобразованная нынешней и прошлой жизнью и человеческой деятельностью. Вертикальная мощность эубиосферы в океанической области Земли достигает более 17 км, в сухопутной — 12 км. Мощность мегабиосферы — 33-35 км.