Заданный уровень  или «стандарт»  Отрицательная обрат-  ная связь    Датчик Вход  (пищевые ресурсы)   Продукт Шум   Цепь (плотность  по популяции   Исполнительный эле-  мент  (популяция)  Выход    Источник  энергии  Рис. 2.8. Упрощенная система регуляции плотности  популяции: зависимость плотности популяции  от пищевых ресурсов [6]    Обратная связь возникает, если «продукт» оказывает влия- ние на «датчик» (см. рис.2.8) В результате отклонения плотности популяции от оптимума в ту или иную сторону увеличивается рождаемость или смертность, результатом чего будет приведение плотности к оптимуму. Такая обратная связь, т.е. связь, умень- шающая отклонение от нормы, называется отрицательной обратной связью. Положительная обратная связь увеличивает это отклонение. Благодаря именно обратной связи регулируются процессы запасания и высвобождения питательных веществ,   51   продуцирования и разложения органических соединений. Взаи- модействие круговоротов веществ и потоков энергии в экосисте- ме создает саморегулирующийся гомеостаз, не нуждающийся во внешнем управлении.  

ласть действия отрицательной обратной связи можно изобразить в виде гомеостатического плато (рис.2.9). Рис. 2.9. Схема формирования гомеостатического плато в экосистеме Верхний предел положи- тельной обратной связи Гибель Переменная система Гомеостатическое плато Область отрицательной обратной связи Нижний предел положи- Гибель тельной обратной связи (–) 0 (+) Стресс Гомеостатическое плато состоит из ступенек. В пределах каждой ступеньки действует отрицательная обратная связь. Пе- реход со ступеньки на ступеньку может произойти в результате изменения в «датчике». Уменьшение или увеличение количества 52 пищевых ресурсов переводит гомеостаз на другой уровень. Го- меостатическое плато – та область, в пределах которой меха- низмы отрицательной обратной связи способны, не смотря на стрессовые воздействия, сохранить устойчивость системы, хотя и в измененном виде. В гомеостаз вовлекаются не только организмы и их продук- ты, но и неорганическая природа (экотоп). Абиотическая (нежи- вая) компонента (см. рис.2.1) контролирует жизнедеятельность организмов. Но и жизнедеятельность организмов постоянно при- водит к физическим и химическим изменениям веществ неживой компоненты. Скорость изменения химического состава окру- жающей среды в результате жизнедеятельности организмов, син- тезирующих и разлагающих органические вещества, на четыре порядка выше, чем скорость этого изменения под влиянием гео- логических процессов.

щества, запасаемые растениями и жи- вотными, усиливают то стабилизирующее воздействие, которое обеспечивается скоплениями детрита («мертвой» органики) и не- органических веществ при разного рода возмущениях в системе. Даже после пожаров в местообитании остаются огнеустойчивые семена и корни, приспособленные к тому, чтобы сохранить себя, и тем самым и систему, как целое. Воздействия, при которых компенсаторные регуляторы ока- зываются не в силах сохранить гомеостатичность системы имеют место при резких антропогенных или естественных воздействиях на структурно-упрощенные искусственные системы, например на 53 объекты сельского хозяйства – агроценозы. В практике сельского хозяйства повышение урожайности часто связывают с количест- вом вносимых удобрений. Часто удобрений вносят столько, что система гомеостаза выходит за верхний предел действия отрица- тельной обратной связи, вследствие чего в агроценозе начинают- ся необратимые изменения, приводящие к деградации возделы- ваемых площадей. Так, увлечение удобрениями привело к эрозии и засолению многих хлопковых полей в Средней Азии. Примером, иллюстрирующим практический смысл гомео- статического плато является отвод условно чистых сточных вод в природный водоем. При этом допускают, что непосредственно в водоеме происходят процессы «самоочищения». Условно очи- щенные воды доведены до определенного значения БПК. БПК – биохимическое потребление кислорода – степень загрязнения воды органическими соединениями, выражаемая количеством кислорода, необходимым для их окисления микроорганизмами в аэробных условиях (в присутствии кислорода) – см.

с.2.3 п.6. При этом, полным БПК (БПКполн) считают количество кислорода, требуемое для окисления органических веществ до начала про- цессов нитрификации ( − NH 2 O NO 2 ). Необходимо опреде- → − 2 лить, какими именно возможностями к самоочистке обладает природный водоем. Исходя из этого ведут общезаводскую или цеховую очистку воды именно до того уровня БПК, с которым водоем справится без ущерба для себя. При таком сбросе сточ- ных вод растворенный в природной воде кислород начинает рас- 54 ходоваться на окисление остаточных загрязнений. Численность организмов (особенно водорослей, бактерий) при этом изменяет- ся, обычно возрастает. Вся экосистема при этом меняется, т.к. большая или меньшая доля био- и хемоэнергетики начинает «ра- ботать» в новом направлении. Происходит сдвиг на гомеостати- ческом плато (см. «ступеньки» на рис.2.9), а следовательно, и из- менение экосистемы в целом. Изменение обнаруживается не сра- зу, лишь по прошествии некоторого времени, в результате замет- ного сокращения численности тех или иных видов рыб, возраста- ния плотности планктона или изменения состава населения мик- роорганизмов (состава микробоценоза). Содержащиеся в сточных водах примеси являются, таким образом, стрессовым фактором. Возможен случай, когда плато выйдет из области контролируемой механизмами отрицательной обратной связи, достигнет предельной величины воздействия связи положительной (см.
iv>
с.2.9). При этом полагают, что в сложной системе, по сравнению с простой, возрастает количест- во и вероятность действия компенсирующих механизмов, регу- лирующих, вплоть до подавления, отклонения. Например, значи- тельное увеличение численности какого-либо вида живых орга- низмов. Большинством добропорядочных обывателей (согласно психофизиологической типологии: конституционально-глупых [22]) наличие и усиление действия обратных положительных связей в антропогенных экосистемах рассматривается как благо. 55 Однако из анализа функционирования биосферы следует обрат- ное: ни один из биологических видов, включая Homo Sapiens, не может увеличивать свою численность безудержно, да еще и обедняя биоразнообразие. Человечеству необходимо организо- вать нормальное функционирование отрицательных обратных связей, если нет, то это сделают микроорганизмы, отмутировав в сторону болезнетворных смертоносных видов (сегодняшний СПИД – это только начало); либо численность людей будет регу- лировать наркотическая зависимость… Гомеостаз экологической системы – это подвижное равно- весие. В любой экосистеме идут процессы, меняющие ее во вре- мени и в пространстве. При этом изменяется состав биоценоза, структура экосистемы и ее продуктивность. Последовательную смену биоценозов, преемственно возни- кающих на одной и той же территории в результате влияния 1)природных факторов (в том числе внутренних противоречий развития самих биоценозов) или 2) воздействия человека, назы- вают сукцессией (от лат.

ccesio – следую, преемственность). Сукцессия происходит в силу действия экологического принципа (закона) сукцессионного замещения: природные био- тические сообщества последовательно формируют закономерный ряд экосистем, ведущий к наиболее устойчивому в данных усло- виях состоянию климакса. Климакс (от греч. klimax – лестница) – «заключительная» фаза биогеоценотической сукцессии, нахо- дящаяся в наиболее полном единстве с биотом и климатом дан- 56 ной местности. Климакс выражается, прежде всего, в формиро- вании относительно устойчивого, коренного, фитоценоза. Любой из нас может наблюдать сукцессии, посещая город- ские парки, или находясь в лесу, наблюдая данное место в тече- ние нескольких (многих) лет. Классическими примерами сукцес- сии с образованием устойчивого биоценоза (климакса) являются зарастание озера и возникновение на его месте торфяного болота, зарастание мест пожаров, формирование елового леса на бро- шенных пашнях, последовательное освоение комплексом орга- низмов упавшего дерева. Еловый лес в своем развитии проходит несколько этапов. Первыми на бывшей пашне появляются светолюбивые и быстро- растущие травянистые растения («трава») и лиственные древес- ные породы: береза, осина, ольха (семена этих деревьев легко разносятся ветром). Наиболее стойкие представители успешно заселяют и утверждаются на новой территории.
>
агодаря их жизнедеятельности изменяется среда. Климатоп изменяется по параметрам освещенности, температуры, альбедо, аэродинамиче- ским (ветрового режима). Состав почвы претерпевает меньшие изменения. Разросшиеся лиственные постоянно начинают угне- тать травянистые растения. По прошествии 10-20 лет появится возможность для укоренения и прорастания всходов хвойных де- ревьев. Наиболее благоприятные условия для елей создаются только после смыкания крон берез, по прошествии 30-50 лет. По- степенно формируется смешанный лес. Он существует сравни- 57 тельно недолго, т.к. светолюбивые березы не выносят затенения и под пологом елей их возобновления не происходит. Устойчи- вый еловый лес на заброшенной пашне образуется примерно че- рез 80-120 лет после первых всходов березы. В процессе развития березняков, ольховников, а затем и елового леса в биоценоз включаются все новые виды растений и животных. Происходит и замещение одних видов другими. По мере увеличения числа ви- дов, в сообществе возникают и заполняются новые экологиче- ские ниши. Поясним: экологическая ниша организма – это сово- купность всех его требований к условиям среды и место, где эти требования удовлетворяются, или вся совокупность множества биологических характеристик и физических параметров среды, определяющих условия существования того или иного вида, пре- образование им энергии, обмен информацией со средой и себе подобными [33]. Еловый лес является прекрасной пищевой базой для некоторых видов насекомых, обеспечивает им экологиче- скую нишу и при определенных климатических условиях чрез- мерное размножение этих насекомых может привести к распаду популяции хвойной породы и ее замене популяциями листвен- ных пород (осины, березы, ивы и др.).

аким образом, сукцессия протекает как медленное и в ка- кой-то мере случайное замещение одних популяций другими, а не путем резкой, скачкообразной смены сообществ. Климакс представляет собой длительное подвижно-стабильное состояние соответствующее прежде всего данным абиотическим условиям 58 (условиям неживой составляющей природы: температурно- влажностному режиму, освещенности, гранулярному составу почвы и др.). Различают сукцессии: первичные – начинающиеся на субстратах, не затронутых процессами почвообразования (скальные породы, песчаные дюны, вулканическая лава); вто- ричные – происходящие на месте сформировавшихся биоценозов после их нарушения (в результате лесных пожаров, вырубки ле- са, засухи, эрозии и др.) или без такового. Различают множество форм сукцессии: циклические, восстановительные, антропоген- ные, ландшафтные, фитогенные, зоогенные и др. Подробное об- суждение форм сукцессии не является целью нашей работы, од- нако, некоторые из них мы кратко обсудим. Понятия «сукцессия» и «климакс» особо важны для ведения лесного хозяйства, при проведении лесозаготовок. Последним должна сопутствовать восстановительная сукцессия. Пример этой сукцессии рассмотрен выше. Из наблюдения за сукцессиями в природных системах следует, что, как правило, не эффективно на вырубках создавать искусственные хвойные насаждения пу- тем посева семян или посадки выращенных в питомниках сажен- цев.

ли предшествовавшим ходом сукцессии в бывшей экоси- стеме не подготовлена смена хвойными, то культуры неизбежно будут отторгнуты и погибнут. В целях их сохранения, человек обязан будет взять на себя все управление энергетикой экосисте- мы, что не экономично. Необходимо будет вносить удобрения, бороться с консументами (копытными, членистоногими, бакте- 59 риями, грибами). Также необходимо учесть, что сукцессия со- провождается жестким статистическим эффектом естественного отбора, а 4-5 тысяч практически одинаковых саженцев не дают материала для отбора. Эпидемия какой-либо болезни уничтожит их полностью. Таким образом, энергозатраты людей на измене- ние сукцессионных процессов экосистемы будут соизмеримы с затратами солнечной энергии на закономерное течение сукцес- сии. Непродуманное вмешательство в сукцессионный процесс, без глубокого знания конкретной системы может привести к ее распаду. Например, вспышки массового размножения насекомых в лесах – проявление сукцессионного процесса. Подавление этих вспышек посредством ядохимикатов может иметь не только по- ложительные, но и отрицательные последствия, т.к. уничтожение одного из участников сукцессии прямо или косвенно влияет на других. Хозяйственная деятельность человека обусловливает ан- тропогенные сукцессии. Этот тип сукцессии связан с рекреаци- онным (для отдыха) или пастбищным использованием экосистем. Он имеет место на болотах подвергнутых осушению, при пахот- ном ведении сельского хозяйства и др. Антропогенные сукцессии могут либо приводить к разрушению (дигрессии) экосистем и снижению их продуктивности, либо иметь восстановительный характер. 60

Источник: window.edu.ru

Особенности и роль гомеостаза


Любая система в динамическом равновесии желает достичь устойчивого состояния, баланса, который противостоит внешним изменениям. Когда такая система нарушена, встроенные регулирующие устройства реагируют на отклонения, чтобы установить новый баланс. Такой процесс является одним из элементов управления с обратной связью. Примерами гомеостатической регуляции являются все процессы интеграции и координации функций, опосредованные электрическими цепями и нервными или гормональными системами.

Другим примером гомеостатической регуляции в механической системе является действие регулятора комнатной температуры или термостата. Сердцем термостата является биметаллическая полоса, которая реагирует на изменения температуры, завершая или нарушая электрическую цепь. Когда помещение охлаждается, то контур завершается и включается обогрев, а температура поднимается. На заданном уровне цепь прерывается, печь останавливается, и температура падает.

Однако биологические системы, имеющие большую сложность, обладают регуляторами, которые сложно сравнивать с механическими устройствами.

Как отмечалось ранее, термин гомеостаз относится к поддержанию внутренней среды тела в узких и жестко контролируемых пределах. Основными функциями, важными для поддержания гомеостаза, являются баланс жидкости и электролита, регулирование кислотной среды, терморегуляция и метаболический контроль.


Контроль температура тела у людей считается отличным примером гомеостаза в биологической системе. Нормальная температура тела человека составляет около 37° C, но различные факторы могут влиять на этот показатель, включая гормоны, скорость метаболизма и болезни, приводящие к чрезмерно высоким или низким температурам. Регулирование температуры тела контролируется областью мозга, называемой Гипоталамус.

Обратная связь о температуре тела переносится через кровоток в мозг и приводит к компенсационным корректировкам в скорости дыхания, уровне сахара в крови и скорости метаболизма. Потеря тепла у людей обеспечивается уменьшением активности, потоотделением и механизмами теплообмена, которые позволяют большему количеству крови циркулировать вблизи поверхности кожи.

Снижение потерь тепла осуществляется за счет изоляции, уменьшения циркуляции на коже и культурных изменений, таких как использование одежды, жилья и сторонних источников тепла. Диапазон между высокими и низкими уровнями температуры тела составляет гомеостатическое плато — «нормальный» диапазон, который поддерживает жизнь. По мере приближения к любой из двух крайностей, корректирующее действие (через отрицательную обратную связь) возвращает систему в нормальный диапазон.

Концепция гомеостаза также применяется к экологическим условиям. Впервые предложенная американским экологом Робертом Макартуром в 1955 году идея, что гомеостаз в экосистемах является продуктом сочетания биоразнообразия и большого количества экологических взаимодействий, происходящих между видами.

Такое предположение считалось концепцией, которая могла бы помочь объяснить устойчивость экологической системы, то есть ее сохранение как определенного типа экосистемы с течением времени. С тех пор концепция несколько изменилась, и включила неживую составляющую экосистемы. Этот термин использовался многими экологами для описания взаимности, которая происходит между живыми и неживыми составляющими экосистемы для поддержания статус-кво.

Гипотеза Геи — модель Земли, предложенная английским ученым Джеймсом Лавлоком, которая рассматривает различные живые и неживые составляющие, как компоненты более крупной системы или единого организма, делая предположение, что коллективные усилия отдельных организмов вносят вклад в гомеостаз на планетарном уровне.

Клеточный гомеостаз

Клетки зависят от среды тела, чтобы сохранять жизнеспособность и правильно функционировать. Гомеостаз поддерживает среду тела под контролем и сохраняет благоприятные условия для клеточных процессов. Без правильных условий тела определенные процессы (к примеру, осмос) и белки (к примеру, ферменты) не будут функционировать должным образом.

Почему гомеостаз важен для клеток? Живые клетки зависят от движения химических веществ вокруг них. Химические вещества, такие как кислород, углекислый газ и растворенная пища, необходимо транспортировать в клетки и из них. Это осуществляется процессами диффузии и осмоса, зависящих от баланса воды и соли в теле, которые поддерживаются гомеостазом.

Клетки зависят от ферментов, чтобы ускорить многие химические реакции, поддерживающие жизнедеятельность и функциональность клеток. Эти ферменты работают лучше всего при определенных температурах, и поэтому снова гомеостаз жизненно важен для клеток, поскольку он поддерживает постоянную температуру тела.

Примеры и механизмы гомеостаза

Вот несколько основных примеров гомеостаза в теле человека, а также поддерживающие их механизмы:

Температура тела

Наиболее распространенным примером гомеостаза у людей является регулирование температуры тела. Нормальная температура тела, как мы писали выше составляет 37° C. Температура выше или ниже нормальных показателей может вызывать серьезные осложнения.

Мышечная недостаточность возникает при температуре 28° C. При 33° C происходит потеря сознания. При температуре 42° C центральная нервная система начинает разрушаться. Смерть наступает при температуре 44° C. Тело контролирует температуру путем выработки или высвобождения избыточного тепла.

Концентрация глюкозы

Концентрация глюкозы относится к количеству глюкозы (сахара в крови), присутствующего в кровотоке. Организм использует глюкозу в качестве источника энергии, но ее избыток или недостаток может вызвать серьезные осложнения. Некоторые гормоны осуществляют регулирования концентрации глюкозы в крови. Инсулин снижает концентрацию глюкозы, в то время как кортизол, глюкагон и катехоламины увеличивают.

Уровни кальция

Кости и зубы содержат приблизительно 99% кальция в организме, в то время как оставшийся 1% циркулируют в крови. Слишком большое или недостаточное содержание кальция в крови имеют негативные последствия. Если уровень кальция в крови слишком сильно снижается, паращитовидные железы активируют свои рецепторы, чувствительные к кальцию, и высвобождают паратиреоидный гормон.

ПТГ сигнализирует костям он необходимости высвобождения кальция, чтобы увеличить его концентрацию в кровотоке. Если уровень кальция увеличивается слишком сильно, щитовидная железа высвобождает кальцитонин и фиксирует избыток кальция в костях, тем самым уменьшая количество кальция в крови.

Объем жидкости

Тело должно поддерживать постоянную внутреннюю среду, а это означает, что ему необходимо регулировать потерю или восполнение жидкости. Гормоны помогают регулировать этот баланс, вызывая экскрецию или удерживание жидкости. Если организму не хватает жидкости, антидиуретический гормон сигнализирует почкам о сохранении жидкости и уменьшает выход мочи. Если организм содержит слишком много жидкости, он подавляет альдостерон и сигнализирует о выделении большего количества мочи.

Источник: natworld.info


Введение.
Тема 1. Учение о биосфере и ее эволюции.

  • Воздушная оболочка Земли, состав и ее функции.
  • Водная оболочка Земли.
  • Литосфера.

Тема 2. Основные законы и принципы экологии.

  • Абиотические факторы воздушно-наземной среды.
  • Абиотические факторы почвенного покрова.
  • Абиотические факторы водной среды.
  • Биотические факторы.
  • Некоторые законы и понятия экологии.
  • Закон ограниченности природных ресурсов. (правило одного процента)
  • Понятие об экологической нише.
  • Правило обязательного заполнения экологических ниш.
  • Адаптация живых организмов к экологическим факторам.
  • Популяция, ее структура и динамика.

Тема 3. Экосистемы и их особенности.

  • Структура водной и наземной экосистем.
  • Гомеостаз и сукцессия экологической системы.
  • Законы термодинамики.
  • Антропогенные воздействия на экосистемы.

Тема 4. Круговороты веществ.

  • Эвтрофикация и меры борьбы с нею.
  • Атмосферные процессы.
  • Кислотные осадки.
  • Круговорот углерода. «Парниковый» эффект
  • Круговорот азота.
  • Круговорот серы.
  • Круговорот фосфора.
  • Круговорот радионуклидов.
  • Круговорот токсичных элементов.

Тема 5. Воздействия на окружающую среду.

  • Глобальные экологические проблемы.
  • Загрязнения окружающей среды.
  • Загрязнение гидросферы.
  • Экологическая надежность и безопасность.

Заключение.
Список использованной литературы.


   Естественные экосистемы существуют в течение длительного времени – десятков и даже сотен лет, то есть обладают стабильностью во времени и пространстве. Для поддержания стабильности экосистемы необходима сбалансированность потоков вещества и энергии, процессов обмена веществ между организмами и окружающей их средой. Но ни одна экосистема не бывает абсолютно стабильной: например, регулярно увеличивается численность популяций одних видов животных и растений, но уменьшается численность других. Подобные процессы имеют определенную периодичность, но в целом не выводят систему из равновесия.
   Состояние подвижно-стабильного равновесия экосистемы носит название гомеостаза («гомео” – тот же, «стазис” – состояние).
   Экосистема может устойчиво функционировать только в пределах той области нарушения обратных связей, когда ее элементы еще могут компенсировать отклонения, определяемые положительной обратной связью (Рис. 10).

   Область устойчивости экосистемы называется гомеостатическим плато (см. рис).
   Для пояснения, что такое обратная связь в экологии рассмотрим условную простую экосистему, состоящую из двух графических уровней «олень – волк”.  В этой системе хищники поедают жертв. Если численность жертвы растет, то хищник, который питается только этой жертвой, тоже увеличивает свою численность (объем популяции). В этом проявляется положительная обратная связь, которая стремится вывести систему из равновесия. Но поскольку волк ест оленей, то он, естественно, снижает численность популяции оленей. В этом проявляется отрицательная обратная связь, которая стремится вновь вывести систему из равновесия. Если же численность волка почему-то из-за каких-либо стрессовых причин резко возрастает, то он, соответственно, снизит и численность оленя, и в конце концов сам  будет поставлен перед условием ограничения собственной численности (из-за недостатка пищи), но стабильность системы в целом не нарушится.
   Таким образом, область, в пределах которой механизмы обратной связи способны, не смотря на стрессовые воздействия, сохранить устойчивость системы, хотя и в измененном виде, называют гомеостатическим  плато.
   В пределах (верхнем и нижнем) действия обратных связей экосистема за счет компенсаторных регуляторов сохраняет устойчивость, причем в условиях антропогенных нагрузок для функционирования экосистем человек должен сам играть роль компенсаторного регулятора (озеленяя землю, очищая воздух, воду и т.д.)
   Таким образом, гомеостаз – важнейшее условие существования любой экосистемы, однако, в разных сообществах его признаки и закономерности неодинаковы.
   Например, в естественном биогеоценозе гомеостаз поддерживается тем, что такая система открыта, то есть непрерывно получает энергию из окружающей среды. Так, к растениям непрерывно поступает солнечная энергия. Ассимиляция сопровождается диссимиляцией, накопление вещества – его постоянным распадом.
   Антропогенная (созданная человеком) экосистема не может рассматриваться как открытая. Например, в экосистеме искусственного аэрационного сооружения для очистки сточных вод (аэротенке): при непрерывном поступлении сточных вод содержащиеся в них вещества накапливаются в аэротенке, а концентрация активного ила снижается и его становится недостаточно для сорбирования вредных веществ. В итоге равновесие экосистемы нарушается, качество очистки снижается и система перестает работать. Для того, чтобы система сохраняла режим работы, человек сам поддерживает ее гомеостаз за счет нагнетания воздуха (аэрации), периодического обновления ила.
   Но даже качественная экосистема, находящаяся в состоянии гомеостатического равновесия, испытывает медленные, но постоянные изменения во времени в первую очередь  биоты, то есть входящего в состав биогеоценоза живого населения. Такую последовательную смену одного биоценоза (биоты) другим называют сукцессией (латинское «сукцедо” – следующий).
   Простейший пример сукцессии – последовательное освоение грибами, бактериями, беспозвоночными упавшего в лесу дерева. Другие примеры сукцессии – смена ели березой, сосны – елью, дуба – осиной, липой, кленом и т.д. Различают сукцессии зоогенные (под сильным воздействием животных), фитогенные, антропогенные, а также катастрофические  (следствие пожара, ветровала, сильного загрязнения воды или атмосферы и т.д.)
   Различают первичную сукцессию – процесс развития и смены экосистем на незаселенных ранее участках. Классический пример – постепенное обрастание голой скалы с развитием в конечном итоге на ней леса. Или постепенная смена озерной экосистемы лесом. Вторичная сукцессия – восстановление экосистемы когда-то существовавшей на данной территории.
   Сукцессия обычно завершается стадией, когда все виды экосистемы, размножаясь, сохраняют относительно постоянную численность и дальнейшей смены ее состава не происходит. Такое равновесное состояние называют климаксом, а экосистему – климаксовой.
   Общие закономерности сукцессионного процесса. Для любой сукцессии, особенно первичной, характерны следующие общие закономерности протекания процесса.
   1. На начальных стадиях видовое разнообразие незначительно, продуктивность и биомасса малы, но по мере развития сукцессии эти показатели возрастают.
   2. С развитием сукцессионного ряда увеличиваются взаимосвязи между организмами. Особенно возрастает количество и роль симбиотических отношений. Полнее осваивается среда обитания, усложняются цепи и сети питания.
   3. Уменьшается количество свободных экологических ниш, и в климаксном сообществе (от греч. «климакс» – лестница) они либо отсутствуют, либо находятся в минимуме. В связи с этим по мере развития сукцессий уменьшается вероятность вспышек численности отдельных видов.
   4. Интенсифицируются процессы круговорота веществ, поток энергии и дыхание экосистем.
   5. Скорость сукцессионного процесса в большей мере зависит от продолжительности жизни организмов, играющих основную роль в сложении и функционировании экосистем. В этом отношении наиболее продолжительны сукцессии в лесных экосистемах. Короче они в экосистемах, где автотрофное звено представлено травянистыми растениями, и еще быстрее протекают в водных экосистемах.
   6. Неизменяемость завершающих (климаксных) стадий сукцессий относительна. Динамические процессы при этом не приостанавливаются, а лишь замедляются. Продолжаются динамические процессы, обусловливаемые изменениями среды обитания, сменой поколений организмов и другими явлениями. Относительно большой удельный вес занимают динамические процессы циклического (флуктуационного) плана.
   7. В зрелой стадии климаксного сообщества биомасса обычно достигает максимальных, или близких к максимальным значений, при этом продуктивность отдельных сообществ на стадии климакса неоднозначна.
   В каждой экосистеме два основных компоненте: биота (организмы) и абиота (неживые – химические и физические – факторы окружающей среды). Несмотря на громадное разнообразие экосистем, всем им, по мнению экологов, свойственна примерно одинаковая биотическая структура, то есть все они включают одни и те же основные категории организмов, взаимодействующие друг с другом стереотипным образом. Это следующие категории: продуценты, консументы, детритофаги и редуценты.
   Поскольку растения строят свой организм без посредников, их называют самопитающимися или автотрофами. Так как, будучи автотрофами, они создают первичное органическое вещество, продуцируют его из неорганического, они носят название продуцентов. То есть продуценты – это, в основном, зеленые растения осуществляющие фотосинтез, то есть процесс превращения воды и  СО2  в сахара с выделение в качестве побочного продукта О2, для чего необходима световая энергия. Молекула, с помощью которой они улавливают световую энергию – зеленый пигмент хлорофилл.
   Процесс протекает следующим образом. Фотон солнечного света взаимодействует с молекулой хлорофилла, содержащегося в хлоропласте зеленого листа, в результате чего высвобождается электрон одного из ее атомов. Этот электрон, перемещаясь внутри хлоропласта, реагирует с молекулой аденозиндифосфат (АДФ) которая, получив достаточную дополнительную энергию, превращается в молекулу аденозинтрифосфат (АТФ) – вещества, являющегося энергоносителем. Возбужденная молекула АТФ в живой клетке, содержащей воду и диоксид углерода, способствует образованию молекул сахара и кислорода, а сама при этом утрачивает часть энергии и превращается вновь в молекулу АДФ.
   Простые химические вещества, из которых состоят воздух, вода и минералы горных пород и почвы, называются неорганическими, а сложные соединения типа белков, жиров и углеводов, образующих ткани растений и животных – органическими. Таким образом, фотосинтезирующие растения используют световую энергию, чтобы продуцировать все сложные органические соединения своего тела из простых неорганических (CO2, H2O, минеральных биогенов), присутствующих в окружающей среде. При этом энергия света накапливается в органических соединениях наряду с химическими элементами.
   Фотосинтезирующие растения с помощью световой энергии продуцируют пищу (органические соединения из неорганических) для остальных организмов экосистемы, которые потребляют органику, как источник вещества и энергии.
   Организмы, которые не  могут строить собственное вещество из минеральных компонентов, вынуждены использовать созданное автотрофами, употребляя их в пищу. Их поэтому называют гетеротрофами, или в функциональной классификации консументами (латинское «консумо” — потребляю).
   Консументы – это самые разнообразные организмы от бактерий до китов. Первичные консументы, то есть животные, питающиеся только растениями называются травоядными или фитофагами. Консументы второго и более высоких порядков – плотоядными. Виды, с равным успехом употребляющие в пищу как растения, так и животных, относятся к всеядным.
   Детритофаги и редуценты питаются мертвым органическим веществом (мертвые растительные и животные остатки), при этом разлагая его. Детритофаги — грифы, земляные черви, раки, термиты, муравьи и др. Редуценты – грибы и бактерии.
   Чтобы понять, как саморегулируются экосистемы, нужно знание некоторых основополагающих химических принципов, касающихся атомов, элементов, энергии и их взаимодействий, ведущих к образованию сложных соединений и их разложению.
   Ученые установили, что организмы (биота) состоят из тех же химических элементов, что и воздух, вода, минералы горных пород и почв. Более того, из 108 существующих в природе элементов в организмах обнаружено только 20. Наиболее важные из них  C, H, O, N, P и S.
   Тем не менее, одна химическая особенность отличает живое от неживого (биоту от абиоты). Это сложность молекул. Абиотические факторы: воздух, вода и минералы состоят из относительно простых молекул (O2, N2, CO2, H2O, молекулы минералов). Кроме того, они непрерывно взаимодействую друг с другом: молекулы воздуха растворяются в воде, ее молекулы поступают в виде водяного пара в воздух, минералы растворяются в воде и рекристаллизуются из нее. Однако сами молекулы при этом не меняются.
Химическая структура живого основана на сложных молекулах – белках, углеводах, жирах, липидах и нуклеиновых кислотах (ДНК, РНК). Эти и другие молекулы образованы, в основном, атомами углерода, соединенными в цепочки. Сложность таких молекул огромная, а их потенциальное разнообразие бесконечно.
   Молекулы, в основе которых лежат углеродные цепочки, называются органическими; они и формируют ткани живых организмов. Все остальные – неорганические. Полимеры тоже имеют углерод – углеродные цепочки, относятся к органическим веществам, но не имеют ничего общего с живыми организмами. Поэтому делят – природные органические соединения и синтетические органические соединения.
   Разложение и горение — это процессы, обратные росту, ведущие к разрушению сложных органических молекул и построению из их атомов простых неорганических. Мы говорим при этом лишь о перегруппировке атомов, а не об их изменении. Это закон сохранения массы — один из основных законов природы: атомы в химических реакциях никогда не исчезают, не образуются и не превращаются друг в друга; они только перегруппировываются с образованием различных молекул и соединений!
   Мы подошли к первому принципу функционирования экосистемы: в естественных экосистемах использование ресурсов и избавление от отходов осуществляется в рамках круговорота всех элементов.
   Однако химические реакции — это не просто перегруппировка атомов, это энергетический процесс (происходит поглощение или выделение энергии). Поэтому сначала надо выяснить разницу между веществом и энергией.
   Вещество занимает пространство и имеет массу. Бывают твердые, жидкие и газообразные вещества. Наиболее обычные формы энергии — это свет и другие виды излучения, тепло, движение и электричество. Они не занимают пространства и не обладают массой.
   Энергия — это способность совершать работу. Кинетическая обусловлена непосредственным действием или движением: световая, тепловая, электрическая, механическая энергия — различные ее формы. Потенциальная энергия как бы запасается системой. Эта энергия показывает возможность, т.е. потенциал, реализовать ее в форме кинетической энергии.
   Путей перехода из одной формы в другую множество. Единица измерения энергии — калория, т.е.  количество тепла, необходимое для нагревания 1 мл воды на 1оС.
Многочисленные эксперименты показали: при переходах энергии из одной формы в другую количество энергии остается неизменным.


Источник: allformgsu.ru

Гомеостаз экосистемы

Гомеостаз — 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 мозге, 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.

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». Между условно выделенными кибер­нетическими блоками управление осуществляется посредством положительных и отрицательных связей. Положительная об­ратная связь «усиливает отклонение», например увеличивает

— взаимодействие положительной (+) и отрицательной (-) обратных связей в системе «хищник-жертва»; б — представление о гомеостати-ческом плато, в пределах которого поддерживается относительное по­стоянство вопреки условиям, вызывающим отклонения

чрезмерно популяцию жертвы. Отрицательная обратная связь «уменьшает отклонение», например, ограничивает рост попу­ляции жертвы за счет увеличения численности популяции хищников. Если в эту систему не вмешиваются другие факторы (например, человек уничтожил хищника), то результат саморегуляции будет описываться гомеостатическим плато — 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 наиболее неустойчивы молодые эко­системы. Это объясняется тем, что в больших экосистемах соз­дается саморегулирующий гомеостаз за счет взаимодействия круговоротов веществ и потоков энергии (Ю. Одум, 1975).

 

Источник: ibrain.kz

Экосистема всё время противостоит изменениям и сохраняет при этом равновесие.

Гомеостаз – состояние подвижного стабильного равновесия экосистемы и условий её существования. Гомеостаз – механизм посредством, которого живой организм, противодействуя внешним воздействиям, поддерживает параметры своей внутренней среды на таком постоянном уровне, который обеспечивает нормальную жизнь. Существование систем невозможно без связей, которые делят на прямые и обратные. Прямая связь – связь, при которой один элемент А действует на другой Б без ответной реакции (пример: действие солнца на земные процессы, действие древесного яруса на травянистые сообщества). Обратная связь – связь, при которой элемент Б отвечает на действия элемента А. Обратные связи бывают положительные и отрицательные. Положительная ведёт к усилению процесса в одном направлении, отрицательная в ответ на усиления действия элемента А увеличивает противоположную по направлению силу действия элемента Б.

Принцип обратной связи – когда некоторый управляющий компонент системы получает информацию от управляемых компонентов и использует эту информацию для внесения корректив в дальнейший процесс управления. Численность оленей и волков находится в пределах какого–то уровня: волки не могут съесть всех оленей, но и не каждый олень способен убежать от волка. Однако в каналах положительных и отрицательных обратных связей могут возникнуть помехи: как биотические факторы (другой хищник), так и абиотические (засуха). Засуха снижает продуктивность растений, следовательно, пища оленей ограничена, они больше подвергаются инфекционным заболеваниям, что немедленно чувствует на себе волк, так как ослабленные недостатком пищи волки тоже подвергаются заболеваниям. Следовательно, естественные помехи являются положительными и выступают как фактор эволюции, так как обеспечивают отбор индивидов, наиболее полно передающих генетический код. Помехи сдвигают равновесие в системе, но это действие не беспредельно – при достаточно больших помехах экосистема за счёт отрицательных связей не сможет скомпенсировать их воздействие и система прекратит своё существование, т.е. отрицательная обратная связь позволяет сохраняться системе в состоянии устойчивого динамического равновесия.

Гомеостатическое плато

 

Та область, в пределах которой механизмы отрицательной обратной связи способны, несмотря на стрессовые воздействия, сохранить устойчивость системы, называется гомеостатическим плато.

 

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Энергетика экосистем. Первичная и вторичная продукция. Продуктивность экосистем. Биомасса. | Загрязнение окружающей среды. Классификация загрязнений. Десять основных видов загрязнителей.

Источник: helpiks.org