Соотношение скоростей автотрофных и гетеротрофных процессов может служить одной из главных функцио­нальных характеристик экосистем

Глава 2. Экосистемы - предмет экологии

Глава 2. Экосистемы - предмет экологии

Соотношение концентраций С0₂ и 0₂ отражает соотношение скоростей этих процессов в экосистемах, т. е. соотношение акку­мулированной продуцентами и рассеянной консументами энер­гии. За последние 60 млн лет в атмосфере установилось относи­тельно постоянное содержание 0₂ (21 %) и С0₂ (0,03 %).

Соотношение СО2 и 02 в атмосфере характеризует баланс автотрофных и гетеротрофных процессов в биосфере в целой.

При этом в разных экосистемах баланс этих процессов мо­жет быть либо положительным, либо отрицательным. Существуют автотрофные экосистемы с преобладанием процессов продук­ции, т. е. с положительным биотическим балансом (тропический лес, мелкое озеро, агроэкосистема). В гетеротрофных экосисте­мах преобладают процессы деструкции, т. е. имеет место отри­цательный баланс (горная река, город).

Для биосферы в целом важнейшее значение имеет отставание процессов разложения органических веществ от процессов синтеза их зелеными растениями. Именно это отставание обусловило накопление в недрах горючих ископаемых, а в атмосфере - кислорода.

Установившийся в биосфере положительный баланс продукцион-но-деструкционных процессов обеспечивает жизнь аэробных организ­мов, в том числе и человека. Озабоченность вызывает деятель­ность человека, который значительно ускоряет процессы разло­жения, сжигая древесину и органическое вещество, накопленное в горючих ископаемых. В воздух выбрасывается большое количе­ство С0₂, до этого связанного в угле, нефти, торфе, древесине, что может нарушить биотический баланс в биосфере.

2.3. Саморегуляция Относительно стабильное соотношение и стабильность скоростей автотрофных и гетеротроф- экосистем ных процессов на Земле существует бла­годаря способности экосистем и био­сферы к саморегуляции, которая поддерживает экологическое равновесие в биосфере.

□ Саморегуляция экосистем обеспечивается внутренними меха­низмами, устойчивыми взаимодействиями между их компонента­ми, трофическими и энергетическими связями.

Экосистемы, популяции и организмы имеют кибернети­ческую природу (гр. куЬетеНке - 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 анализатору.

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 нормализуется, кожные рецепторы посылают новую информа­цию в мозг, который подает сигнал обратной связи для прекра­щения потоотделения.

В экосистемах управление также 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. 2.5).

Низкоэнергетические сигналы, вызывающие высокоэнергетичес­кие реакции, очень распространены в природе. Например, каж­дый год на планете миллионы людей и животных гибнут от различ-

Глава 2. Экосистемы - предмет экологии

Глава 2. Экосистемы - предмет экологии

ных инфекций в результате заражения и последующего самоза­ражения микроскопическими паразитами, составляющими малую долю от потока энергии в экосистемах (0,01 - 0,1 %).

Рис. 2.5. Управляющие механизмы экосистем с помощью обратной связи (по Ю. Одуму, 1986, с изменениями)

Обратные информационные связи необходимы для сохра­нения равновесия в экосистемах. 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 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 перегрева организма или термостата, пере­производства продукции, перенаселения и т. д. Устройства для управления с помощью обратной связи в технике называют сервомеха­низмами. Для живых систем используют термин гомеостатические

механизмы, ИЛИ ГОМеОСТаЗ (гр. homos - одинаковый, stasis - состояние), Т. е.

механизмы, поддерживающие стабильное состояние.

Сервомеханизмы, как и отдельные организмы, имеют механи­ческий или физиологический регуляторы, расположенные в «посто­янной точке». Например, для поддержания постоянной температу­ры в помещении, термостате или холодильнике терморегулятор управляет нагревательным прибором, отключая или включая его.

Гомеостаз - это регуляторные механизмы живых систем. V теплокровных животных регуляция температуры тела осуществляется специальным центром в мозгу. Другие центры поддерживают посто­янное кровяное давление, сердечный ритм и т. д. В экосистемах в результате взаимодействия круговорота веществ, потоков энергии и сигналов обратной связи от субсистем возникает саморегулирующийся гомеостаз без регуляции извне из «постоянной точки».