Лекция №4

Свойства экологических систем и закономерности их функционирования

Гомеостаз экосистемы

Гомеостаз (гр. homoios подобный, stasis состояние) – способность популяции или экосистемы поддерживать устойчивое динамическое равновесие в изменяющихся условиях среды.

а термин «гомеостаз» впервые предложил в 1926 г. американский физиолог Уолтер Кеннон (1871–1945). Концепция гомеостаза экосистемы в экологии была разработана американским ботаником, экологом растений и микологом Фредериком Клементсом (1874–1945).

Вообще, гомеостаз характерен для всех открытых систем, начиная от клеток и заканчивая биосферой.

В экосистемах гомеостаз– это механизм обеспечивающий процессы самоподдержания, самовосстановления и саморегулирования экосистем, поддерживающий экосистемы в относительно динамическом равновесии в течение длительного времени.


Длительность существования каждой экосистемы поддерживается,

— во-первых, за счет общего круговорота веществ, осуществляемого продуцентами, консументами и редуцентами,

— во-вторых, постоянным притоком солнечной энергии.

Эти два глобальных процесса обеспечивают экосистеме высокую способность противостоять воздействию постоянно меняющимся условиям внешней среды.

В основе гомеостаза лежит принцип обратной связи. Механизмы реализации обратных связей называются механизмами гомеостаза (от греческих слов homoios — подобный, одинаковый и ststis — состояние).

Действие принципа можно проанализировать на примере зависимости плотности популяции от пищевых ресурсов.

Рассмотрим простейшую экосистему: заяц-рысь, состоящую из двух трофических уровней.

               
 
Рост популяции жертвы (заяц).
 
Рост популяции хищника (рысь).
    Какие гомеостатические механизмы поддерживают устойчивость водоема
 
    Какие гомеостатические механизмы поддерживают устойчивость водоема
 
 

 

Когда численность зайцев невелика, каждый из них может найти достаточно пищи и удобных укрытий для себя и своих детёнышей. Т.е. сопротивление среды невысоко, и численность зайцев увеличивается несмотря на присутствие хищника. Изобилие зайцев облегчает рыси охоту и выкармливание детёнышей. В результате численность хищника также возрастает. В этом проявляется обратная положительная связь.

Однако с ростом численности зайцев уменьшается количество корма, убежищ и усиливается хищничество, т.е. усиливается сопротивление среды. В результате численность зайцев — снижается. Охотиться хищникам становится труднее, они испытывают нехватку пищи и их численность падает. В этом проявляется обратная отрицательная связь, которая компенсирует отклонения и возвращает экосистему в исходное состояние .

При некоторых условиях обратная связь может быть нарушена. Например, на зайцев стал охотиться другой хищник, или среди зайцев возникла инфекционная болезнь. При этом происходит нарушение сбалансированности системы, которое может быть обратимым или необратимым. Роль помех могут играть и абиотические факторы. Засуха снижает продуктивность растений и ограничивает пищу для зайцев, что немедленно отразиться на хищнике.

При появлении помех в системе «заяц-рысь» станет меньше и зайцев и рысей. Стабильность системы в целом не нарушается, но объём трофических уровней изменится. При этом новый уровень стабильности опять будет обеспечиваться механизмами обратной связи.


Понятно, что давление помех не может быть беспредельным. При массовой гибели зайцев экосистема за счёт обратной отрицательной связи не может компенсировать отклонения. Тогда данная система прекратит своё существование.

Экосистемы тем стабильнее во времени и пространстве, чем они сложнее, т.е. чем больше видов организмов и пищевых связей.

Поэтому видовое разнообразие способствует повышению устойчивости экосистем (закон Эшби). При этом как в случае резидентной, так и в случае упругой устойчивости расширяется диапазон пороговых воздействий, которые способны выдержать экосистема без разрушения (запас жесткости и запас упругости).

Примером абсолютно нежизнеспособных экосистем являются агроценозы, создаваемы человеком из однолетних и двулетних культурных растений, то есть продукты сельскохозяйственной деятельности человека.

Многие экологи даже не считают их экосистемами, хотя есть все основания считать их экосистемами с искусственно поддерживаемыми начальными стадиями сукцессии. Заброшенные поля сразу же втягиваются в естественный ход сукцессии.

Что касается возделываемых полей, то они существуют только за счет человека. Свидетельством их нежизнеспособности является крайне малая устойчивость как упругая, так и резидентная, что является следствием очень скудного видового разнообразия как флоры (все сорняки подавляются гербицидами), так и фауны (“вредных” насекомых мы травим пестицидами).

iv>

Малая упругая устойчивость проявляется, например, в резких вспышках численности конкретных видов вредителей. Подобные вспышки в естественной природе наблюдаются очень редко. Малая резидентная устойчивость проявляется, например, в повышенной чувствительности посевов к природным условиям, таким как град, засуха, повышенное количество осадков и т.д.

Осваивая все большие территории планеты, человек продолжает стратегию обеднения видового разнообразия. Этим он все более подрывает способность природы сопротивляться внешним воздействиям и возвращаться в исходное состояние.

Источник: helpiks.org

Основные компоненты экосистемы

Я пришел к выводу,

– пишет известный американский ученый Е. Одум, –

что так же, как лягушку считают классическим объектом изучения животного организма, пруд – пример для начального изучения экосистемы… Без перегрузки для начинающего исследователя большим количеством деталей в пруду могут быть собраны, для изучения четыре основных компонента экосистемы.

Что же это за четыре компонента, составные части экологической системы (и в масштабах пруда, и в масштабах всей биосферы, которую можно воспринимать как экосистему планеты Земля)?


  1. Прежде всего, это неживые вещества – основные составные части среды, неорганические и органические слагаемые ее.
  2. Затем производители, в основном земные растения, которые из неживой среды извлекают под влиянием солнечной энергии различные вещества и создают, продуцируют массу живой материи.
  3. Далее идут все остальные живые существа, которые живут, либо потребляя массу зеленых растений, либо пожирая других животных.
  4. И наконец, – грибы и бактерии, которые существуют за счет мертвых тканей животных и растений: они перерабатывают и разлагают эти ткани на простые вещества, которые вновь используются растениями.
obitatel'-vodoyema
Лягушка — частый обитатель водоема

Экосистема

Четыре компонента и один круговорот, круговорот веществ в природе. От простых веществ через растения, животных, грибы и бактерии – вновь к простым веществам.

Вертится эта мельница беспрерывно и в пруду, и в экосистеме планеты в целом. А двигателем является солнечная энергия.

>

Таким образом, экосистемой может считаться такая система из неживых и живых компонентов, в которой эти все четыре составных действуют, живут, развиваются.

Отсюда можно сделать вывод, что экосистема не камень, она живая, составные ее части объединены, связаны в одно большое целое. Если какие-то составные части плохо работают, другие части этого целого берут на себя долю их работы. Поэтому – экосистема очень устойчива, сбалансирована, уравновешена, находится в гомеостазе, как говорят экологи. Гомеостатический механизм позволяет экосистеме не только регулировать равновесное состояние системы, но и восстанавливать равновесие, если оно нарушено. До той поры, конечно, пока антропогенный пресс не становится таким мощным, что никакой гомеостаз не спасает устойчивость экосистемы.

Пруд как экосистема

Рассматривая пруд как экосистему, можно сделать три важнейших экологических вывода:

  1. все элементы этого водоема тесно увязаны, взаимодействуют, нарушение действия одного из элементов вызывает нарушение структуры и жизни всего пруда;
  2. система находится в некотором равновесии, гомеостазе и способна восстанавливать это равновесие, если вмешательство лишь нарушает это равновесие, а не разрушает сами связи, не вызывает экологическую катастрофу системы;
  3. подобно живому организму система живет, она появляется, развивается, прогрессирует, достигает расцвета, затем переживает упадок, регрессию и гибель (пример: временные водоемы, которые образуются при таянии снегов, в половодье и обычно пересыхают, гибнут летом).

Оценка состояния водоема

При оценке состояния водоема следует учитывать:

  1. Антропогенное давление на любой из компонентов системы. Допустим, в замкнутом водоеме ведется интенсивный любительский лов рыбы, превышающий допустимую степень эксплуатации. Для поддержания рыбьего стада периодически надо вносить, вселять рыбью молодь в водоем. Еще пример: плотность посадки рыб в водоеме при зарыблении оказалась столь высока, что кормов им не хватает. Надо вносить корма извне, подкармливать рыб.
  2. Антропогенное давление на всю систему в целом столь сильное, что равновесие не восстанавливается. Пример: мытье в водоемах автомобилей, мотоциклов или других транспортных средств (о вреде оставляемой на поверхности воды пленки нефтепродуктов всем известно). Или интенсивное использование водоема владельцами моторных лодок.
  3. «Возраст» и ступень развития водоема. В частности, надо посмотреть состояние воды и рыб в ней. Бывает, что от учета водоемов до развертывания операции по спасению мальков из них проходит несколько дней. Так вот, при учете нужно посмотреть, выдержат ли мальки эти несколько дней, может, вода уж так плоха, рыбы задыхаются, а весь водоем близок к гибели, что операцию по спасению молоди откладывать нельзя.

sostoyaniye-vodoyema
Чистота водоема это важный фактор для оценки состояния водной экосистемы

Водоем как экосистема – его биогеоценоз

Систему водоема можно назвать и биогеоценозом – объединением живых и неживых ее частей. Нас же с точки зрения экологии интересует только живая часть этой системы. Если отодвинуть в сторону неживой компонент системы, то три последующие образуют биоценоз. В биоценозе водоема тоже гомеостаз, равновесие, увязка всех его составных, есть развитие. Можно представить биоценоз в виде шахматных фигур – отдельные виды животных и растений: все ходят по-разному и порознь, но все взаимосвязаны и в целом образуют игру, жизнь на шахматной доске.

Из всех связей биоценоза важнее уловить пищевую цепь. Цепь эта всегда начинается с потребления солнечной энергии, следовательно, ее начало – растения. Попробуем составить пищевую цепь. Микроскопические планктонные водоросли потребляют рачки дафнии, их – мелкие личинки насекомых, которые становятся пищей молоди рыб, а эту молодь в свою очередь поедают рыбки покрупнее, тех же с аппетитом пожирают окуни, щуки, ну, а этих рыб ловим из водоема уже мы. Хорошая пищевая цепь получилась.


Кстати, все, что мы потребляем, кроме поваренной соли и воды, – это солнечная энергия, «пропущенная» через пищевую цепь. Чем короче цепь, тем полнее, без потерь, доходит до нас эта энергия. Поэтому человек или животные-хищники на суше редко питаются плотоядными птицами и зверями – это нерациональное удлинение цепи. Только в воде мы с удовольствием вылавливаем и затем поедаем хищников, например щуку, окуня, судака.

Но бывает, что пищевая цепь получается в водоеме и не столь благополучной. Например: водоросли – дафнии – личинки – мальки – ерши. А щуки? Щукам остаются ерши, но из-за острых шипов на плавниках не очень любят их зубастые хищницы. К малькам же не подобраться, они на мелководье, там щукам не очень привычно, а вот ерши там так и снуют. Сам по себе ерш – отменная рыба в ухе, но в водоеме с более ценной рыбой он выступает ее конкурентом и превращается в сорную вредную рыбу. Ясно, что это надо учесть при оценке водоема, а затем вместе со специалистами помочь ценным рыбам: организовать своего рода «прополку» водоема от сорняков.

Отношения между соседствующими видами в водоеме

В биоценозе могут существовать не напряженные и напряженные отношения между соседствующими видами в водоеме.

Например, напряженные пищевые отношения – это когда виды конкурируют из-за сходных кормов. Зарыбление водоемов видом рыбы, которая питается теми же кормами, что и рыбы-старожилы в этом водоеме, не даст эффекта.


угое дело, если при зарыблении удастся избежать пищевой конкуренции видов рыб из-за расхождения их пищевых потребностей. Тогда и рыбы-старожилы живут успешно, и вновь вселенные рыбы хорошо растут, дают хороший улов. В последнее время рыбоводы стараются зарыбление проводить не одним видом рыб, а несколькими не конкурирующими по кормам рыбами, например карпом и пелядью. Блестящий результат дает вселение в водоем толстолобика, белого амура и карпа. Карп собирает корм возле дна, толстолобик питается планктоном, фитопланктоном (цветущая вода), а белый амур поедает высшую водную растительность.

Оценка водоема

При оценке водоема следует отнести его к естественным или к водохранилищам. К первым относятся реки, озера. А пруд? Он, конечно, искусственный водоем, образованный запрудой, но не всякий пруд может считаться водохранилищем. Может быть, решающее значение имеют его размеры? Нет, не размеры, не объем воды важен. Основным признаком водохранилища – и огромного и маленького пруда – является возможность регулирования расхода воды из водохранилища и его уровня.

vodokhranilishche
Водохранилище — искусственный водоем

Рыбоводные пруды

Для рыбоводства удобнее всего такие водохранилища, из которых можно совсем спустить воду. Обычно это рыбоводные пруды. После спуска воды можно вновь заполнять водоем и зарыбить только теми породами рыб, которые дают наибольший эффект при выращивании. Спускные водохранилища – лучшее средство борьбы с рыбной конкуренцией, лучшая «прополка» водоема от рыб-сорняков.

Продуктивность водоемов можно повышать и другими путями, например внесением в водоем кормов для рыб или вселением кормовых организмов, которые сами будут быстро размножаться на радость рыбам и рыбоводу. Продуктивности водоемов способствует и удаление из них врагов промысловых рыб. Врагами рыб могут быть позвоночные – птицы, звери, но могут быть и беспозвоночные. Многие личинки насекомых поедают мальков рыб, а в целом все беспозвоночные в водоеме уничтожают больше пищи, чем все взятые вместе рыбы этого водоема.

А еще необходимо учитывать оценку берегов, мелководий и заливов, характера и скопления водной растительности, температуры воды в разных местах и прогрева на разных глубинах…

Поэтому водоем – это очень сложный объект природы.

Биоценоз водоема

Иными словами водоем – это живой организм, комплекс неживых и живых компонентов, образующих биоценоз, а у биоценоза есть молодость, зрелость, старость. Если биоценоз водоема сегодня способствует нересту, развитию ценных рыб, то наша задача сохранить подольше этот возраст водоема, постараться отодвинуть его старение. Если же биоценоз водоема склоняется к старению, надо тщательно установить причины этого явления и, если это возможно, постараться убрать ряд этих причин и омолодить водоем.

Обследование водоема

Чтобы определить, в каком состоянии находится водоем, надо его обследовать.

  • Прежде всего вид водоема – речка, река, озерцо, озеро;
  • размер водоема;
  • движение воды – проточная, полупроточная, стоячая.
  • Наряду со скоростью учитывается плавность течения: при большом уклоне речная вода может нестись с большей скоростью, но в северных реках это обычно плавное быстрое течение, а на юге в горных районах скорость реки часто выше, вода образует буруны, водовороты среди камней. В замкнутых озерах подвижность воды зависит от характера берегов: при открытых берегах ветер свободно гуляет, образуя волны и перемешивая водную массу, в лесных озерах зеркало воды редко морщится от ветра и вода слабо перемешивается, нижние слои могут быть значительно холоднее, могут быть бедны кислородом. Значит, в характеристику водоема входит описание его берегов. Определяются размеры (длина, ширина) и глубина водоема.
  • Сведения о наибольшей глубине в характеристике водоема должны сочетаться со сведениями о более мелких заливах, хорошо прогреваемых отмелях. Определяют прозрачность воды, цвет, вкусовые качества.
  • Пробы воды на кислотность доставляются в лабораторию на анализ. По этим пробам можно определить источники загрязнения воды и подать сигналы в санитарно-эпидемиологическую станцию.
  • Не всегда легко предотвратить загрязнение водоемов. Большую роль в соблюдении чистой воды играют истоки рек и речек, питающих водоемы. Порой эти родники бывают загрязнены, берега затоптаны, в воду попадает мусор. Необходимо очищать родники, устанавливать около них скамейки, строить мостики, с которых можно набрать воду, не разрушая берега. Дно родников надо зачистить от мусора, ила, коряг. Все обнаруженные родники нумеруются, заносятся в характеристику основного водоема, если возможно, их местоположение наносится на карту, топографическую схему. Существуют общие требования к составу воды, как среды жизни в водоемах. При оценке содержания кислорода в воде в полевых условиях, если вода не сильно загрязнена, можно исходить из средних показателей.

Выше 30°С вода прогревается только на мелководье, рыбы такую теплую воду, бедную кислородом, не любят и отходят на глубину. Повсеместный прогрев воды выше 25°С практически встречается только в мелких, отшнуровавшихся водоемах и из таких водоемов рыб надо переселять наиболее срочно.

Наконец, оценивая водоем, в его паспорт заносят данные о населяющих его рыбах и других водных обитателях, в том числе врагах рыб.

 

Сведения о водных растениях

Заносятся в паспорт и сведения о водных растениях.

vodnyye-rasteniya
Водные растения — важный элемент любого водоема

Водоросли и мхи – исконные водные растения. Водоросли и мох фонтиналис целиком погружены в воду, мох сфагнум имеет водные экологические расы, растущие под водой (обычно в лесных озерах), чаще же сфагнум растет по болотистым низинам, временно заливаемым. Эти заросли полезны для мальков, хотя длинные нити зеленых водорослей порой так разрастаются, что мальки в них запутываются и гибнут. Все же в здоровом зрелом водоеме эти растения не разрастаются сплошной массой.

Иначе обстоит дело с высшей водной растительностью – цветковыми растениями. Эти растения ранее, в ходе эволюции, покинули воду, переселились на сушу, а затем отдельные представители сухопутных растений вновь ушли в воду. Но характерно для них всех одно – почти все они не утеряли окончательно связь с бывшей родиной – воздушной средой. Ряска плавает на поверхности воды, кубышки и кувшинки выносят на поверхность листья и цветки (не цветут, если листья не достигли поверхности), элодея и перистолистник поднимают над водой цветки, камыши и осока растут над водой, лишь корни, нижняя часть стебля у них в воде.

Если присмотреться к этим растениям то мы увидим, что в водоеме они располагаются обычно видовыми сообществами: вот отмель с лесом из элодеи, рядом бухта с роголистником, поодаль заросли рдестов, поглубже плавают зеленые тарелки кувшинок. Роголистник – единственное из высших растений, утерявшее связь с воздухом: он даже цветет в воде. У него нет корней, он тяжелый, погружен в воду. Если заросли роголистника плотно заполняют отмели, верхушки стеблей достигают поверхности воды, надо прореживать эти заросли: в них рыбам тесно, а хищные насекомые развиваются там успешно, подкарауливают мальков. Заросли роголистника легко удаляются руками, граблями, их выволакивают на берег, подальше от воды.

Плохо, когда бурно разрастается элодея, ее заросли тоже мешают молоди рыб, создают для них излишне опасную зону. Убрать элодею так же легко, ее корни-якоря неплотно держат растение на грунте.

У поверхности встречается похожее на роголистник, с мелкими иссеченными листьями плавающее растение от светло-зеленого до ярко-пурпурного летом цвета. Пушистые стебли плавают горизонтально, обильно ветвятся, цветки – над водой. Если присмотреться к этим стеблям – среди листочков видны пузырьки. Это – хищное растение пузырчатка. В пузырьки могут проникнуть мелкие животные, но из пузырьков обратно хода нет. Рачок или малек рыбы застревает, потом соки растения растворяют добычу, а стенки пузырька всасывают питательный раствор. Понятно, что этому хищнику не должно быть места в нерестовых водоемах, на отмелях, где происходит естественный нерест рыб. Пузырчатка не только может посягнуть на мальков рыб – в их самой сложной и ответственной стадии жизни, когда они слабы и беспомощны сразу после выклева из икры, – она к тому же выступает пищевым конкурентом мальков, поглощая несметные количества питательных коловраток и рачков – первичный корм рыбных малышей.

Плавающая на поверхности ряска всех видов и приповерхностный вид – ряска трехдольная (ее листики не касаются воздуха) не страшны, пока не начинают бурно затягивать все заводи, а потом и весь водоем. Зарастание всей поверхности ряской – признак старения водоема. Такие рясочные «льды» надо убирать. Из водоема ряску вылавливают мешком, надетым на квадратную раму, плотным сачком. Ряска – хороший витаминный добавок к корму свиней и птиц, так что полезно ее высушить, собрать и использовать на фермах. Наконец, рогоза, осока, тростник – жесткая прибрежная растительность. Если ее немного по берегам, она не мешает, а если эти полуводные травы разрастаются, они мешают рыбоводству, могут поглотить и весь неглубокий водоем, превратить его в болото. Разрастание этих трав по площади водоема – признак старения водоема. Поэтому эти растения надо активно выкашивать. Вот основные сведения о водоеме, как экосистеме.

Источник: LibTime.ru

Выделяют девять основных типов сухопутных биомов: тундра, тайга, лиственные леса умеренной зоны, степи умеренной зоны, растительность средиземноморского типа, пустыни, тропические саванны и лугопастбищные земли, тропическое или колючее редколесье, тропические леса.

Созданные человеком — антропогенные.

Для естественной экосистемы характерны три признака:

1. экосистема обязательно представляет собой совокупность живых и неживых компонентов;

2. в рамках экосистемы осуществляется полный цикл круговорота веществ, начиная с создания органического вещества и заканчивая его разложением на неорганические составляющие;

3. экосистема сохраняет устойчивость в течение определенного времени.

Биом — это макросистема, совокупность экосистем, тесно связанных климатическими условиями, потоками энергии, круговоротом веществ, миграцией организмов и типом растительности.

Биом (по определению Одума) представляет собой «крупную региональную или субконтинентальную экосистему, характеризующуюся каким – либо основным типом растительности или другой характерной особенностью ландшафта, например, биом лиственных лесов умеренного пояса».

Биомная классификация экосистем основана на преобладающем типе растительности в крупных регионах.

Наземныеэкосистемы (биомы) входят в состав биосферы и в основном определяются растительностью.

Водные системы меньше зависят от климата. Они формируются в зависимости глубины водоема, содержания растворимых солей, глубины проникновения солнечных лучей, количества растворенного в воде кислорода, доступности питательных элементов и температуры воды.

Водные экосистемы могут постепенно превращаться в наземные.

 
  Какие гомеостатические механизмы поддерживают устойчивость водоема

Основной принцип функционирования экосистем:

они существуют за счет не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно (характеристиками солнечной энергии являются: избыток, чистота, постоянство, вечность).

Относительно стабильное соотношение скоростей автотрофных и гетеротрофных 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.

В экосистемах управление основано на обратных связях, когда часть сигналов с выхода из системы вновь поступает на вход, регулируя состояние системы на выходе.

Обратные информационные связи необходимы для сохранения равновесия в экосистемах. Они бывают положительными и отрицательными.

Положительная обратная связь является «саморазгоняющейся». Она усиливает однонаправленные изменения в системе дополнительной информацией, поступающей с выхода системы на вход.

Отрицательная обратная связь – это поток информации в систему, противодействующий изменениям внешних условий. Для живых систем используют термин гомеостатические механизмы или гомеостаз — механизмы, поддерживающие стабильное состояние.

В экосистемах в результате взаимодействия круговорота веществ, потоков энергии и сигналов обратной связи от субсистем возникает саморегулирующийся гомеостаз без регуляции извне из «постоянной точки».

Гомеостаз — это способность популяции или экосистемы поддерживать устойчивое динамическое равновесие в изменяющихся условиях среды с помощью обратных связей.

Все живые существа и человек, так же как и экосистемы, являются саморегулирующимися гомеостатическими системами, поддерживающими равновесие главным образом за счет отрицательных обратных связей.

Экосистема способна поддерживать относительную стабильность своего состояния.

Стабильность экосистем означает свойство любой системы возвращаться в исходное состояние после того, как она была выведена из состояния равновесия.

Стабильность определяется устойчивостью экосистем к внешним воздействиям.

Выделяют два типа устойчивости:

1. резистентную — это способность экосистемы сопротивляться нарушениям, поддерживая неизменными свою структуру и функции;

2. упругуюспособность системы быстро восстанавливаться после нарушения структуры и функций.

Огромное значение в сохранении стабильности биосферы в целом имеет биологическое разнообразие.

Биоразнообразие наиболее ценный ресурс планеты, который возник в результате естественного отбора за миллиарды лет при взаимодействии двух процессов: видообразования и вымирания видов.

Биоразнообразие включает два понятия:

— видовоемногообразие различных видов организмов внутри биоценоза;

— генетическое – многообразие генетических программ у особей одного вида.

Одной из особенностей биоценозов является суточная и сезонная или годовая динамика.

Суточная динамика биогеоценозов связана с ритмикой природных явлений и носит строго периодический характер.

Более существенные отклонения наблюдаются при сезонной динамике. Они обусловлены биологическими циклами организмов, зависящими от сезонной цикличности природных явлений.

Закономерное развитие экосистем во времени называют экологической сукцессией.

Экологическая сукцессия – это закономерная последовательная смена биоценозов, преемственно возникающих на одном и том же биотопе под воздействием природных или антропогенных факторов.

Выделяют два типа сукцессий:

Ø первичные(начинается на абсолютно лишенном жизни месте – вновь появившиеся песчаные дюны, послеледниковый период, поднятие островов из океана);

Ø вторичные(сообщество развивается на месте, где ранее был хорошо развитый биоценоз – результаты пожаров, наводнений, распашки степей, вырубки лесов, осушения болот) сукцессии.

Скорость сукцессий различна. Для первичных сукцессий требуются сотни и тысячи лет. Вторичные протекают быстрее.

Сукцессии обычно начинаются в незрелых несбалансированных сообществах, у которых скорости продукции органического вещества П либо больше, либо меньше скорости дыхания Д.

Сообщество стремится к более стабильному, зрелому состоянию, где П = Д.

Сукцессия, начинающаяся:

Ø при П < Д автотрофная,

Ø при П > Дгетеротрофная.

Отношение П / Д является функциональным показателем зрелости экосистем.

Автотрофная сукцессия — широко распространенное в природе явление, которое начинается в незаселенной среде.

Она характеризуется длительным преобладанием автотрофных организмов, при котором соотношение П / Д > 1. В процессе сукцессии П / Д стремится к 1.

При П > Д постепенно растут биомасса организмов Б и отношение биомассы к продукции Б / П, т.е. увеличиваются размеры организмов. По мере роста продукции П растет и величина ее расходов на дыхание Д.

Гетеротрофная сукцессия характеризуется преобладанием в системе редуцентов и встречается тогда, когда среда пересыщена органическими веществами.

При гетеротрофных сукцессиях отношение П / Д < 1, а органические вещества могут постепенно разлагаться и исчезать, и тогда из-за отсутствия автотрофных процессов система может разрушиться.

Обычно система стремится к стабильному состоянию, при котором П / Д = 1.

Изменения основных характеристик экосистем при аутогенных сукцессиях отличаются от изменений, происходящих при аллогенных сукцессиях, причинами которых является воздействие человека.

Аутогенные сукцессии – это естественное закономерное биотическое развитие экосистем, идущее по автотрофному типу. В процессе сукцессии популяции организмов и функциональные связи между ними закономерно и обратимо сменяют друг друга.

Аутогенная сукцессия – это направленное предсказуемое и обратимое развитие экосистемы до установления равновесия между биотическим сообществом – биоценозом и абиотической средой – биотопом.

Аллогенные сукцессии экосистем, вызванные человеком, приводят к их упрощению.

Состояние стабилизированной экосистемы называется климаксом.

Цепь сменяющих друг друга биоценозов называется сукцессионным рядом.

Смены фауны и флоры в истории Земли похожи на медленно протекающие экологические сукцессии. Они тесно связаны с геологическими и климатическими изменениями и видообразованием. Такие процессы протекают на протяжении миллионов лет и называются эволюцией.

Эволюция экосистем представляет собой длительные процессы исторического развития, которые необратимы и ацикличны.


Источник: studopedia.ru

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СОЦИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет Охраны труда и окружающей среды

Кафедра Экологии и природопользования

Гомеостатические свойства биосферы.

по дисциплине: «Устойчивое развитие и эколого-правовой режим охраны природных ресурсов и объектов »

Выполнил:

Студент ЭиП-ДМ-1

факультета ОТиОС

Нифатов Алексей Петрович

Проверил:

Доцент кафедры социальной экологии

и природопользования

Кандидат социологических наук, доцент

Кириллов Николай Петрович

РГСУ

2011

Введение

Биосфера — саморегулирующаяся система, для которой, как отмечал В. И. Вернадский, характерна организованность. В настоящее время это свойство называют гомеостазом, понимая под ним способность возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения включением ряда механизмов. Гомеостатические механизмы связаны в основном с живым веществом, его свойствами и функциями. Биосфера за свою историю пережила ряд таких возмущений, многие из которых были значительными по масштабам, и справлялась с ними (извержения вулканов, встречи с астероидами, землетрясения, горообразование и т. п.) благодаря действию гомеостатических механизмов и, в частности, принципа, который в настоящее время носит название Ле Шателье-Брауна: при действии на систему сил, выводящих ее из состояния устойчивого равновесия, последнее смещается в том направлении, при котором эффект этого воздействия ослабляется. Опасность современной экологической ситуации связана, прежде всего, с тем, что нарушаются многие механизмы гомеостаза и принцип Ле Шателье-Брауна, если не в планетарном, то в крупных региональных планах. Их следствие — региональные кризисы. В стадию глобального кризиса биосфера, к счастью, еще, по-видимому, не вступила. Но отдельные крупные возмущения она уже гасить не в силах. Результатом этого является либо распад экосистем, либо появление неустойчивых, практически лишенных свойств гомеостаза систем типа агроценозов или урбанизированных (городских) комплексов. Человечеству, к сожалению, отпущен крайне малый промежуток времени для того, чтобы не произошел глобальный кризис и следующие за ним катастрофы и коллапс.

Гомеостатические свойства биосферы

Принцип равновесия является одной из наиболее важных зависимостей в живой природе. Равновесие существует между видами и смещение его в какую-либо сторону вызывает значительные изменения в экосистемах, к примеру, увеличение количества хищников может привести к исчезновению жертв, а уничтожение хищников увеличивает число жертв, но в данном случае жертвам может не хватить пищи. Естественное равновесие существует и между живыми организмами и окружающей его неживой средой. Великое множество «малых» равновесий поддерживает общее равновесие в природе.

Равновесие в живой природе в отличие от неживой является динамичным, а не статичным, т. е. представляет собой движение вокруг некой точки устойчивости. Если сама точка не изменяется, то такое состояние носит название гомеостаза (гомео — то же, стазис — состояние). Гомеостаз — механизм, посредством которого живой организм, противодействуя внешним воздействиям, поддерживает параметры своей внутренней среды на таком постоянном уровне, который обеспечивает его нормальную жизнедеятельность. В качестве примера можно привести всем нам известное: величину кровяного давления, частоту пульса, температуру тела, т. е. то, что определяет нормальное состояние здоровья. Это состояние регулируется гомеостатическими механизмами, которые функционируют настолько «отлаженно», что мы их практически не замечаем. Если же функционирование механизма нарушено, то возникает не только дискомфорт в организме, но и опасность его гибели.

Природная экосистема (биогеоценоз) устойчиво функционирует при постоянном взаимодействии ее элементов, круговороте веществ, передаче химической, энергетической, генетической и другой энергии и информации по цепям-каналам. Согласно принципу равновесия любая естественная система с проходящим через нее потоком энергии и информации имеет тенденцию к развитию устойчивого состояния. При этом устойчивость экосистем обеспечивается автоматически за счет механизма обратной связи. Обратная связь заключается в использовании получаемых данных от управляемых компонентов экосистем для внесения корректив управляющими компонентами в процесс. Рассмотренные выше взаимоотношения «хищник» — «жертва» в данном контексте можно описать несколько подробнее; так, в водной экосистеме хищные рыбы (щука в пруду) поедают другие виды рыб-жертвы (карась); если численность карася будет увеличиваться — это пример положительной обратной связи; щука, питаясь карасем, снижает его численность-это пример отрицательной обратной связи; при росте числа хищников снижается число жертв, и хищник, испытывая недостаток пищи, также снижает рост своей популяции; в конце концов в рассматриваемом пруду устанавливается динамическое равновесие в численности и щуки, и карася. Постоянно поддерживается равновесие, которое исключало бы исчезновение любого звена трофической цепи.

Новые системы обычно подвержены резким колебаниям и менее способны противостоять внешним возмущениям по сравнению со «зрелыми», компоненты которых успели приспособиться друг к другу. Подлинно надежный гомеостатический контроль устанавливается только после периода эволюционного приспособления. Почти всегда, например, существует временная отсрочка в реакциях популяции, которая представляет собой время, необходимое для того, чтобы в неблагоприятных условиях, связанных с перенаселением, начали изменяться рождаемость и смертность в популяции.

Состояние естественного равновесия означает, что экосистема является стабильной и ее отдельные параметры остаются неизменными, несмотря на воздействия, которые система испытывает. Очень важным свойством системы является ее проницаемость — в нее постоянно что-то поступает и постоянно что-то из нее исходит, иными словами, это такое устойчивое состояние экосистемы, при котором поступление вещества, энергии и информации равно их выходу.

В качестве примера действия гомеостатических механизмов рассмотрим динамику популяций. По И.А. Шилову — устойчивость популяции, ее относительная самостоятельность, индивидуальные особенности зависят от того, насколько структура и внутренние свойства популяций сохраняют свои приспособительные возможности на фоне изменчивых условий существования. Гомеостаз популяции определяет главное условие — целостность популяции как биологической системы.

Во всех аспектах проявления популяционных функций поддержание их устойчивости имеет абсолютно первостепенное значение. От этого зависят условия функционирования и динамика вышестоящих уровней организации; обеспечение популяционного гомеостаза лежит в основе устойчивого функционирования всего ряда взаимосвязанных систем повышающейся интегрированности (рис. 1). При всем многообразии механизмов гомеостаза популяции можно выделить следующие группы (И.А. Шилов, 2000 г.):

  1.  поддержание адаптивного характера пространственной структуры;
  2.  поддержание генетической структуры;
  3.  регуляция плотности населяющих особей.

Какие гомеостатические механизмы поддерживают устойчивость водоема

Рисунок  Схема гомеостатического плато

Следует заметить, что функции управления гомеостазом популяций изучены к настоящему времени далеко недостаточно, наибольшие результаты получены пока только для животных. Серьезные трудности в изучении этих функций вызывает наличие у высших животных помимо физиологических процессов в реализации гомеостатических функций еще и весьма сложных форм высшей нервной деятельности. Еще более сложными оказываются проблемы изучения гомеостатических функций человеческой популяции, где существуют также недостаточно изученные проявления социума в воздействиях и реакциях.

Отличительные особенности популяционных систем для высших позвоночных животных (как наиболее изученный пример) заключаются в том, что составляющие их элементы-особи (организмы) способны к автономному существованию и не образуют в составе популяции специализированных функциональных систем, наподобие тех, что имеются внутри организма. Важнейшим является то, что все формы взаимодействия популяции со средой и осуществления общепопуляционных функций проявляются опосредованно через физиологические реакции отдельных особей (организмов). Это возможно лишь при определенных формах интеграции деятельности особей, при которых физиологические процессы в отдельных организмах осуществляются в направлении, адаптивном на уровне популяции в целом. Это и есть основа весьма сложных и окончательно еще невыясненных форм внутрипопуляционных отношений, определяющих общий тип и конкретный характер пространственной структуры, уровень и динамику плотности, численности популяции, генетическую структуру и другие свойства популяции и приводящие популяцию в соответствие с условиями среды обитания.

Реализация гомеостатических функций популяции базируется на согласованных действиях составляющих ее особей. Эта согласованность обеспечивается непрерывным потоком информации о состоянии внешней среды и самой популяции. Любой и каждый представитель популяции (особь) одновременно является и источником, и реципиентом («приемником») информации. Эта информация позволяет особи регистрировать изменения в факторах среды, а главное, инициировать приспособительные реакции от составляющих популяцию особей. Важным моментом является то, что адаптивные ответы на уровне особи интегрируются и выражаются в адаптациях уже на уровне популяции.

Процесс формирования адаптивной реакции на популяционном уровне чрезвычайно сложен и определяется прежде всего разнокачественностью особей по основным эколого-физиологическим свойствам. Это «неодинаковость» каждой из особей популяции и их группировок служит источником неодинаковой информации, так как отдельная особь или даже их группа по-разному реагирует даже на одни и те же факторы среды и поэтому общий «ответ» популяции никогда не является простой суммой ответов отдельных особей. Морфологическая структура популяции (ее «пространственность») обеспечивает оптимизацию процесса адаптивных реакций, но не является непосредственным их «носителем»; физиология и поведение изменяются на уровне отдельных организмов как ответ на полученную информацию. Вследствие этого в отличие от организма — морфологически структурированной системы — популяция может рассматриваться как система информационно-структурированная.

Итак, популяция стабильна, если сохраняет прежде всего свою пространственную структуру. Стремление к восстановлению параметров популяции, способствующей состоянию равновесия, как раз и осуществляется за счет вышеописанных механизмов авторегуляции, которая в конечном счете есть функция следующего уровня организации — экосистемы, частью которой популяция собственно и является.

Выявлено два главных механизма стабилизации плотности популяции при ее величинах, лежащих ниже уровня насыщения: 1) территориальное поведение в виде внутривидовой конкуренции; 2) групповое поведение, выражающееся, например, в «половом доминировании», «порядке клевания» и т. п. В определенной мере эти механизмы проявляются и в человеческом сообществе.

Регулирование популяции может быть физическим и биологическим. Флуктуации численности происходят под влиянием внешних климатических, эдафогенных и других внутренних факторов. Факторы, влияние которых находится в прямой зависимости от плотности популяции, предотвращают перенаселение и способствуют установлению устойчивого равновесия. Главным образом это биотические (конкуренция, паразитизм, патогенное влияние и т. д.), а не климатические или другие факторы.

Ряд специалистов объясняют колебания численности популяции тем, что в условиях перенаселенности возникает стресс, который влияет на репродуктивный потенциал, устойчивость к заболеваниям и другим воздействиям.

Влияние стресса (напряжения) рассмотрено во многих работах и, в частности, Г. Селье (1936). В качестве стресса он понимал неспецифическую реакцию (синдром) живого организма на любое сильное воздействие. Это всегда необычная нагрузка, которая не обязательно должна быть опасной для жизни, но непременно должна вызывать в живом организме «реакцию тревоги». Г. Селье выделил особые факторы — стрессоры, вызывающие ответную реакцию со стороны организма и приводящие его в напряженное, неуравновешенное состояние. Эти факторы имеют самое различное происхождение: и физическое, и биолого-физиологическое, например шум, вибрация, резкое изменение температуры или давления, радиоактивное излучение, токсины, голодание, запах и др.

При любом воздействии стрессоров в особи возникают однотипные биохимические изменения, направленные на преодоление действия этих факторов путем адаптации. Это позволяет формировать адаптационные изменения и на уровне популяции. В качестве примера рассмотрим реакцию растений на температурные воздействия. Возможно возникновение высокотемпературного стресса; при этом засухоустойчивые растения способны переносить длительное обезвоживание и перегрев, причем основным аппаратом охлаждения у растений остается транспирация. Многие суккуленты обладают способностью накапливать ночью органические кислоты (главным образом, яблочную), а днем с целью уменьшения испарения устьица закрываются, и эта кислота становится главным источником углерода, из которого синтезируются различные сахара (Жунчиету и др., 1991). Несколько иначе выглядит ситуация с возникновением низкотемпературного стресса. При отрицательных температурах образование льда в тканях растений ведет к их гибели, причем наиболее устойчивы к морозу менее обводненные организмы. Установлено, что в клеточном соке холодостойких растений северных районов содержатся растворимые сахара (глюкоза, сахароза, фруктоза), которые увеличивают концентрацию клеточного сока и уменьшают его способность к образованию внутриклеточного льда. Так, по данным В.А. Вронского (1996), количество сахара у сортов яблони в Карелии составляет 13-15%, малины — 6,5-8 % (против 5 % в средней полосе), в черной смородине — до 11 % и т. д. Это показывает, что наличие соединений в виде Сахаров способствует адаптациям растений к неблагоприятным условиям Севера и таким образом пережить неблагоприятные периоды со стрессовыми воздействиями.

Комплекс стрессовых воздействий иногда вызывает стремительное падение плотности популяции, что называют «адаптационным синдромом», который препятствует излишне сильным флуктуациям, что, в свою очередь, могло бы нарушить функционирование популяции и экосистемы в целом и угрожать выживанию вида.

Наряду с вышеописанным у ряда экологов есть мнение, что изменения численности популяций определяются истощением ресурсов и уменьшением количества пищи и (или) ее питательной ценности.

Проведенное изучение динамики численности и плотности популяций выявило так называемые «всплески» плотности с уменьшающейся во времени амплитудой.

Последующее рассмотрение этих данных применительно к человеческому сообществу привело к выводу, что они должны выполняться и в том случае, если регуляция численности всей популяции или ее отдельных групп осуществляется только вследствие «демоперенаселения» (т. е. если отсутствует «внешнее» регулирование, например, планирование семьи, повышение уровня образования женщин и молодежи и т. п.). Как отмечает А.А. Горелов (1998), это особенно опасно, так как для человеческой популяции, единственной среди других известных, установлена положительная корреляция между плотностью (численностью) популяции и скоростью роста. Это особенно опасно, так как общее население людей на Земле растет, и уже превысило 6 млрд-ный рубеж, а человек по своему обыкновению мало задумывается о будущем, а действует в данный момент по данной ситуации.

Продолжая это рассмотрение, следует остановиться и на такой известной зависимости: флуктуации плотности (численности) популяции ярче выражены в сравнительно простых экосистемах, где число взаимодействующих популяций и их разнообразие также относительно мало. При уменьшении под различными внешними воздействиями видового разнообразия, а тем самым числа популяций в экосистеме возникает опасность проявления все более интенсивных флуктуации в составляющих популяциях, вплоть до их исчезновения, и этот процесс, как полагают отдельные экологи, может превратиться в необратимый. В связи с этим Ю. Одум высказывает следующее мнение: «Чем выше уровень организации и зрелости сообщества и чем стабильнее условия, тем меньше амплитуда флуктуации плотности со временем» (Ю. Одум, 1975, с. 244).

Кривые роста популяций показывают, что он может внезапно прекратиться, когда популяция близка к исчерпанию собственных ресурсов (пища, жизненное пространство), когда резко меняются климатические, эдафогенные условия и т. д. Затем при достижении внешнего предела плотность популяции может либо некоторое время оставаться на данном уровне, либо сразу же резко падать. Причем по мере увеличения плотности популяции значительно усиливается действие неблагоприятных факторов среды, т. е. так называемое сопротивление среды. Рассмотренное явление получило название триггерного эффекта. Аналогичный результат был получен для характеристик, описывающих развитие мирового сообщества в результате исследований Д. Медоуза (1991).

Популяции в целом имеют тенденцию эволюционизировать таким образом, чтобы прийти к способности или уровню саморегуляции. При этом естественный отбор действует в направлении максимального повышения качества среды обитания особи и уменьшает вероятность гибели популяции.

Гомеостаз на уровне экосистем. Многообразные формы связей, существующие между популяциями разных видов, объединяют биоценоз в целостную биологическую систему. Как все биологические системы любого уровня, биоценоз существует в определенных абиотических условиях того или иного участка географической среды. Эта среда никогда не является абсолютно стабильной, а устойчивое выполнение главенствующей функции экосистем — поддержания биогенного круговорота — должно обеспечиваться биоценотическими адаптивными механизмами. Эти механизмы при рассмотрении их на уровне экосистем носят исторический характер, так как складываются на протяжении всего существования и формирования экосистем. Между элементами экосистемы устанавливаются общие стабильные взаимоотношения, которые адаптированы не только к общим факторам существования данной экосистемы, но и к степени взаимосвязей, определяющих устойчивое поддержание этих отношений в колеблющихся условиях данной конкретной среды.

Любая экосистема любого иерархического уровня может устойчиво функционировать только в пределах устойчивой реализации обратных связей или в области нарушения этих связей, когда элементы экосистемы способны компенсировать отклонения, определяемые положительной обратной связью (например, при поступлении загрязнений в водную экосистему она еще способна к самоочищению). Эта область устойчивости экосистемы называется гомеостатическим плато (рис. 1). В пределах (верхнем и нижнем) действия обратных связей экосистема за счет компенсаторных регуляторов сохраняет устойчивость. В антропогенных экосистемах при возникающих соответствующих нагрузках для устойчивого их функционирования человек должен сам играть роль компенсаторного регулятора (озеленение, посадка леса, системы очистки воздуха и воды).

Нарушения в передаче информации по каналам обратной связи возникают в результате стихийных бедствий: засух, наводнений, землетрясений, болезней. В результате человеческой деятельности также возникают помехи в реализации обратной связи — застройка городов, изменение ландшафта и т. п. Эти нарушения как природного, так и техногенного характера носят иногда случайный характер и они играют роль помех, не разрушая функционирование экосистемы.

На уровне экосистем перечень видов, состав и сложность развития трофической сети, наиболее устойчивые формы взаимодействия между видовыми популяциями отражают приспособленность к наиболее определяющим особенностям среды и направлены, прежде всего, на устойчивое поддержание биогенного круговорота в изменяющихся условиях. Нарушения, которые возникают в экосистемах на фоне установившихся средних параметров среды, вызывают функциональные адаптации компенсаторного типа. При этом сохраняется принципиальная структура биоценоза. Это многообразные обратимые изменения пищевых цепей, паразитарных связей, условий среды, обусловленные колебаниями численности (плотности) популяций, выражающихся на уровне видов. При более существенном нарушении состава биоценоза возникают неустойчивые, сменяющие друг друга сообщества — процесс, в идеальном, кстати весьма редком, случае ведущий к восстановлению исходного типа экосистемы. Экологические сукцессии такого рода — одно из наиболее ярких выражений действия функциональных адаптации на уровне биоценозов.

Если изменения среды имеют необратимый характер или отмечена устойчивая тенденция к приобретению средой именно такого характера, то происходит направленная смена типов сообществ. В целом регулируется смена уровня стабилизации биоценотической системы. Особенно точно это прослеживается при оценках в масштабах геологического времени, что нами уже отмечалось при описаниях изменения таких абиотических факторов среды, как климат, параметры рельефа, трансгрессии моря и его гидрологические режимы на протяжении таких значительных отрезков истории Земли, как геологические периоды и даже эры. Влияние этих факторов на динамику типов биоценотических сообществ уже достаточно точно установлено палеонтологическими и палинологическими исследованиями и подтверждает его наличие уже в весьма отдаленные геологические эпохи. В частности, показано, что специализированная охота палеолитического населения на крупных травоядных млекопитающих (слоны, мамонты, носороги и др.) стала причиной резкого снижения их численности и при наложившихся факторах потепления климата в межледниковьях привела к почти полному их исчезновению. Это послужило причиной коренного изменения общего облика фитоценозов. В плейстоцене крупные травоядные выступали в качестве эдификаторов (основателей) биоценозов, создавая мозаичность растительного покрова путем постоянного повреждения сомкнутых древостоев и сплошных массовых кустарников и поддержания на их месте ассоциаций злаков и разнотравья. С гибелью мамонтовой и подобной фауны сомкнутые древостой стали широко распространяться, и растительный покров Земли принял близкий к современном/зональный облик (С.П. Маслов и др., 1995).

Уже исследованиями В.Н. Сукачева было показано, что у нашей планеты имеется целостный биогеоценотический покров Земли. Действительно, хотя биологический круговорот может быть завершен уже на уровне отдельной экосистемы и даже биоценоза, в реальных условиях обособленных круговоротов не установлено, да они, вероятно, и неосуществимы. На уровне биосферы круговоротные процессы объединяются в единую систему глобальной функции живого вещества. По И.А. Шилову (2000), в этой системе не только полностью завершаются отдельные биогеохимические циклы, но и реализуются тесная взаимосвязь их с абиотическими процессами формирования и переформирования горных пород, становления и поддержания специфических свойств гидросферы и атмосферы, почвообразования, поддержания их естественного плодородия и т. д. В конечном счете многообразие форм жизни определяет уникальные свойства биосферы как самоподдерживающейся системы, гомеостаз которой осуществляется (т. е. запрограммирован) на всех уровнях организации живой материи. Теснейшая функциональная взаимосвязь биологических систем разных уровней превращает отдельные формы жизни в интегрированную глобальную систему. Различные уровни гомеостазирования биологических систем и биосферы в целом сложились на протяжении длительной геологической истории нашей планеты.

Список литературы

  1.  Потапов А.Д.  Экология М.: Издательство Высшая школа, 2004. – 528с.
    1.  http://www.eco-net.ru/ru/content/osnovnye-svoistva-biosfery — Экология России

Источник: 5fan.ru

Сазонов В.Ф. Механизмы гомеостаза

Гомеостаз в биологии – это поддержание постоянства внутренней среды организма.
В основе гомеостаза лежит чувствительность организма к отклонению определённых параметров (гомеостатических констант) от заданного значения. Пределы допустимых колебаний гомеостатического параметра (гомеостатической константы) могут быть широкими и узкими. Узкие пределы имеют: температура тела, рН крови, содержание глюкозы в крови. Широкие пределы имеют: давление крови, масса тела, концентрация аминокислот в крови.
Специальные внутриорганизменные рецепторы (интерорецепторы) реагируют на отклонение гомеостатических параметров от заданных пределов. Такие интерорецепторы имеются внутри таламуса, гипоталамуса, в сосудах и в органах. В ответ на отклонение параметров они запускают восстановительные гомеостатические реакции.

Какие гомеостатические механизмы поддерживают устойчивость водоема

Общий механизм нейроэндокринных гомеостатических реакций для внутренней регуляции гомеостаза

Параметры гомеостатической константы отклоняются, интерорецепторы возбуждаются, затем возбуждаются соответствующие центры гипоталамуса, они стимулируют выброс гипоталамусом соответствующих либеринов. В ответ на действие либеринов происходит выброс гормонов гипофизом, а затем под их действием идёт выброс гормонов других эндокринных желёз. Гормоны, выделившись из желёз внутренней секреции в кровь, изменяют обмен веществ и режим работы органов и тканей. В итоге установившийся новый режим работы органов и тканей смещает изменившиеся параметры в сторону прежнего заданного значения и восстанавливает величину гомеостатической константы. Таков общий принцип восстановления гомеостатических констант при их отклонении.

Примеры
Мочеобразование и выведение мочи. Дыхание: чувствительность к избытку СО2 заставляет дышать чаще и восстанавливать тем самым стандартную концентрацию СО2. Теплообмен.

Механизм гомеостаза первого порядка

Гомеостаз поддерживается механизмами нескольких уровней, как это обычно свойственно иерархическим системам. При отклонении избранного параметра от средней линии в сторону верхнего или нижнего предела сразу же включаются «ближайшие» компенсационные механизмы, которые гасят это отклонение. Собственно это и будет называться регуляцией гомеостаза как устойчивого состояния, а поскольку процессы автоматизированы за счёт отрицательных обратных связей, то данное явление можно назвать саморегуляцией.
Итак, колебание гомеостатической константы допустимо в определённых пределах. За счет автоматического гашения отклонений гомеостатический параметр настойчиво возвращается к средней линии. В идеале данный механизм стремится миминизировать колебания гомеостатического параметра вокруг средней линии. Чем лучше работает этот механизм, тем меньше будут колебания. Можно назвать это первым гомеостатическим механизмом, он является базовым. Например, именно так работают различные буферные системы, компенсирующие небольшие отклонения, в частности отклонения в рН среды.

Механизм гомеостаза второго порядка

Это регуляция гомеостаза второго порядка, которая накладывается на первый механизм поддержания гомеостаза. При выходе гомеостатического параметра за определённый верхний или нижний предел допустимых колебаний включается гомеостатический механизм второго порядка и возвращает параметр в заданные пределы. Если происходят какие-либо более мощные изменения и достигаются более амплитудные пределы, то подключаются механизмы гомеостаза следующего уровня и так далее.

Механизм гомеостаза третьего порядка

При длительном или постоянном смещении гомеостатического параметра от средней линии к одному из пределов (верхнему или нижнему) включаются компенсационные процессы по гашению процесса смещения, для возврате параметра к средней линии. Система этого вида гомеостаза чувствительна к длительному общему смещению средней линии вверх или вниз. Механизмы компенсации должны быть другими, по сравнению с гомеостазом первого порядка.

В качестве примера можно представить себе нормально работающий холодильник, в котором вдруг начали непрерывно открывать и закрывать дверцу. Обычных механизмов поддержания холода при этом становится уже недостаточно.
Признаки холодильника с хорошим гомеостазом:
1. Не допускает значительных отклонений от средней линии.
2. Быстро компенсирует появившиеся отклонения
3. Имеет способность к самообучению – в процессе адаптации размах колебания уменьшается.

В отличие от искусственных автоматических систем гомеостатические живые системы, обладают уникальным свойством пластичности. Они перестраивают свою деятельность в результате постоянной нагрузки определённого рода. Самый впечатляющий пример биологической пластичности — это смена знака при управлении обратной связью с «-» на «+» и наоборот.

Гомеостатические реакции, противодействующие отклонению гомеостатической константы

1. Обратимые кратковременные функциональные изменения.

Пример:

При повышении температуры окружающей среды повышается температура тела. В ответ на это начинается кратковременное усиление потоотделения. За счёт этого усиливается испарение и, как следствие — происходит охлаждение организма. После нормализации температуры тела потоотделение возвращается к норме. Таким образом, это было обратимое кратковременное функциональное изменение.

2. Обратимые долговременные функциональные изменения.

Пример:

При воздействии…

3. Необратимые долговременные функциональные изменения.

4. Обратимые кратковременные структурные изменения.

5. Обратимые долговременные структурные изменения.

Пример:

При воздействии на организм интенсивного солнечного света возникают повреждения глубоких слоёв кожи. В ответ на это начинается усиление выработки пигмента меланина клетками кожи. В результате появляется загар, который препятствует глубокому проникновению солнечных лучей под кожу. Процесс повреждения клеток солнечным светом прекращается. После прекращения действия солнечного света через длительный срок пигмент исчезает, и кожные покровы возвращаются к первоначальному состоянию. Таким образом, это был пример обратимого долговременного структурного изменения.

6. Необратимые долговременные структурные изменения.

7. Кратковременные поведенческие реакции.

8. Долговременные поведенческие изменения.

9. Наследственные изменения.

10. Изменения образа жизни.

11. Изменения популяции.

12. Изменение биологического вида.

Источник: kineziolog.su