Что такое гомеостаз системы какими механизмами он обеспечивается что такое устойчивость экосистем
Гомеостаз экосистемы
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.
Действие принципа можно проанализировать на примере зависимости плотности популяции от пищевых ресурсов.
Рассмотрим простейшую экосистему: заяц-рысь, состоящую из двух трофических уровней.
|
| ||
 | |||
 |
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.
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).
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.
Дата добавления: 2015-10-26 ; просмотров: 5991 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Гомеостаз – уникальная способность экосистемы
Понятие и история термина и учения
Способность единичного организма, в том числе и самого примитивного, и целых биологических систем к саморегулированию при изменении условий существования и под влиянием этих условий называется гомеостаз экосистемы. Системой, в данном случае, можно назвать существование даже примитивного организма, так как для его жизни необходимо соблюдение целого ряда внутренних взаимосвязанных условий: температуры, основных физиологических функций, внутренней среды и так далее.
Термин гомеостаз греческого происхождения и обозначает одинаковое или подобное состояние, неподвижность.
Для открытой системы – это такое качество, обладая которым она реагирует на внешние изменения и влияния, старается их преодолеть и стремится к устойчивости и равновесию.
О постоянстве внутренне среды, говорил еще в 1878 году французский ученый Клод Бернар. Впервые термин возник в книге «Мудрость тела» американского физиолога Уолтера Кеннона в 1932 году. Там этим термином обозначалась координация физиологических процессов для устойчивого состояния организма. Начало учению о гомеостазе экосистемы положил в 1949 году Ф. Клементс. В основу его учения легло утверждение о том, что равновесие в экосистемах достигается при взаимодействии противоположных процессов или обратной связью. Условия окружающей среды непостоянны. При их изменениях происходят перемены и в экосистеме. То есть она динамична. И когда экосистема находит способ реагировать на изменения и приспосабливается к ним, то сама регулирует процессы внутри себя и восстанавливается.
Сложность возникает лишь в случае вмешательства не абиотических факторов, а антропогенных. Когда в биосистемы вмешивается человек, то самостоятельный ее выход из «кризисных» условий, практически невозможен.
Основные признаки и обратная связь
Гомеостаз экосистемы обладает такими основными признаками: выносливость и устойчивость.
Выносливость или живучесть – это способность выдерживать и переносить изменения в окружающей среде, без нарушения основных свойств системы.
Второй признак – устойчивость, упругость, невосприимчивость – это качество, когда система готова быстро возвращаться из критического в нормальное и устойчивое состояние.
Форма проявления гомеостаза у одноклеточных организмов и у более сложных сходны. Сохранение внутренних свойств и процессов, которые отличны от внешних. У простых поддержание физико-химических условий, у других – состава крови и других жидкостей, объема и так далее. В целостной системе или популяции – удержание пространственной структуры, разнообразия генетического и полового, численности, плотности и так далее. Если подняться до уровня биосферы, то тут тоже необходимо поддержание состава и структуры почв, атмосферы, воды.
Проявляться эти признаки биосистемы начинают, когда возникает экологический стресс. То есть изменяется один или сразу несколько внешних факторов и условий существования живого организма. Это могут быть и погодные условия, и деятельность человека. С самого момента их возникновения, они активно и, как правило, негативно начинают влиять на систему. Под их воздействием происходит ответное реагирование системы или обратная связь. Конечно, биосистема не может воздействовать на окружающую среду, ее ответное реагирование заключается в саморегуляции, сбалансированности и согласованности функционирования всех элементов и внутренних процессов.
Однако, впоследствии и сама, приспособившись, может начинать воздействовать на другие, сопутствующие, соседние или сопряженные.
Таким образом, можно говорить еще об одном признаке экосистемы — стабильности. После выведения из привычного состояния, она вновь в него вернется.
Примеры
Наиболее типичным можно назвать пример взаимодействия смежных звеньев пищевой цепи, консументов – «хищника и жертвы». При благоприятных природных условиях, возрастает количество питательной массы. Например, растительной. Небольшая по численности популяция травоядных – «жертва», без труда находит себе пищу. Со временем ее численность начинает расти. «Хищник», которой при низкой численности «жертвы», прилагал большие усилия для поисков пропитания, с ростом числе травоядных, таких затруднений теперь не имеет. Его потомство перестает погибать от недоедания. Конкуренция внутри популяции снижается. Образуются новые пары и появляется дополнительное потомство. Популяции и «хищника» и «жертвы» растут. Это обратная положительная связь.
Рост популяций приводит сначала к недостатку питания у «жертвы», а за этим и у «хищника». Увеличивается конкуренция и обостряется борьба за выживание. Рождаемость падает. Обратная связь становится отрицательной. Система приходит в свое первоначальное состояние, точнее, близкое к нему. Подойдя к исходному уровню, система может начать процесс разрастания. То есть она постоянно в динамике. Как маятник, достигнув равновесия, он продолжает движение от точки покоя. И так постоянно, потому, что окружающая среда никогда не бывает одинаковой.
Иногда уровень воздействия на систему может быть таким, что сопротивляемости и выносливости не хватает. И прежде всего это относится к случаям, когда незначительна популяция какого-либо вида в составе системы. Воздействие может быть таким, что прекращается рост численности и плотности живых организмов. Воспроизведение не дает нужного результата и популяция затухает. Восстановление экосистемы в том виде, какой она была до воздействия, становиться невозможно. Не всегда это ведет к умиранию всей системы, но всегда к существенным изменениям внутри ее. Например, место вымершего вида занимает другой. Он может быть более агрессивным. И тогда воздействие начинается снова, а «разлаженный и некомплектный механизм» с ним на должном уровне бороться уже не может. Так произошло в XX веке в Китае. Когда по решению правительства были уничтожены все воробьи, в связи с чем выросла популяция насекомых. Или Австралия, где были уничтожены хищники, и рост популяции кроликов стал неконтролируемый и причинил существенный ущерб природе.
Совсем иное завершение процесса воздействия на биосистему, если внешнее воздействие осуществляется человеком. В этом случае биосистема редко возвращается в первоначальное состояние, а иногда и вовсе исчезает. Примеров тому масса и нет смысла их перечислять.
Сочетание с эволюцией биосферы
Рассмотренная способность отдельных живых организмов, клеток и целых биологических систем, определенным образом реагировать на изменения и, значит, воздействие окружающей среды не очень сочетается с историей эволюции биосферы.
Начиная с момента возникновения первой жизни, одноклеточные, а затем и более сложные существа, реагировали на изменения окружающей среды иным образом. Именно такое реагирование и дало возможность развиться из клетки без ядра в человека. Если бы происходило приспосабливание, то на Земле по сей день существовали только первые живые организмы. Они бы приспосабливались и приспособились. В чем нас убеждает теория гомеостаза. Если есть приспосабливание, то нет эволюции. А если это не так и миллиарды лет своего существования клетки пытались приспособиться к изменяющейся среде и не смогли, а вымерли. То тогда нет никакой эволюции. Есть смена одних организмов, другими, без признаков какого-либо наследования. Похожесть допускается. Что, в общем-то, и есть. Птицы похожи на динозавров, слон на мамонта, а человек на обезьяну.
Видео — Гомеостаз
Равновесие и устойчивость экосистем (гомеостаз)
Основная причина, позволяющая экосистемам длительное время сохранять постоянный видовой состав, а значит и устойчивость, заключается в том, что популяции, входящие в состав сообщества, находятся в динамическом равновесии.
Стабильность, равновесие экосистемы и постоянное возобновление ее видового состава называется гомеостазом экосистемы.
Со своей стороны, равновесие зависит от соотношения биотического потенциала и сопротивления среды, которые действуют в противоположных направлениях.
— большая скорость размножения;
— пополнения половозрелого состава за счет потомства;
— достаточное количество пищи;
— способность расширять свой ареал;
— параметры окружающей среды в зоне оптимума вида.
— неблагоприятные условия жизни;
— распространения болезнетворных бактерий;
— низкая репродуктивная способность;
— восприимчивость болезней и паразитов;
— неспособность адаптироваться к изменениям внешней среды;
Поскольку каждая популяция стремится увеличить свою численность, она использует для этого два механизма:
— увеличивает биотический потенциал за счет миграций, освоения новых территорий;
— уменьшает сопротивление среды, вырабатывая многочисленные приспособления к неблагоприятным условиям существования: освоение новых видов пищи, усиления защитных функций организма (так дуб ограждается от гусеницы, синтезируя ткани, горькие на вкус и вещества, которые вызовут нарушение функционирования пищеварительной системы гусеницы.
Итак, экосистема является важнейшей структурной единицей устройства окружающего мира. Основу экосистем составляют живое вещество, характеризующееся биотической структурой, и среда обитания, обусловленная совокупностью экологических факторов.
Обобщая законы функционирования экосистем, сформулируем еще раз основные их положения:
1) природные экосистемы существуют за счет не загрязняющей среду солнечной энергии, количество которой избыточно и относительно постоянно;
3) природные экосистемы благодаря своей биотической структуре неопределенно долго поддерживают устойчивое состояние, не страдая от истощения ресурсов и загрязнения собственными отходами; получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов.
Что такое гомеостаз экосистемы? Что участвует в гомеостазе? Какой показатель устойчивости (сбалансированности) экосистемы вы знаете?
Одно из свойств системы – условие устойчивости.
Гомеостаз – механизм вырабатывающий устойчивость сложной системы. Способность биологических систем противостоять изменениям и сохранять динамически относительное постоянство состава и свойств. Нестабильность среды обитания в экосистемах компенсируется биоценотическими адаптивными механизмами.
Критерий оценки – константы (давление)
Каждый член сообщества работает на устойчивость.
4 обязательных участника в поддержании гомеостаза:
1) Сообщество в целом.
2) Круговорот веществ.
4) Развитая информационная структура (сигнальная система)
Принцип управления – обратная связь, возникает, если “продукт” численность организмовоказывает регулирующее влияние на “датчик” пищу.
Устойчивость саморегулирующихся систем определяет их способность возвращаться в исходное состояние после небольшого отклонения. В этом случае действует принцип Ле Шателье-Брауна: при внешнем воздействии, выводящем систему из устойчивого равновесного состояния, равновесие смещается в том направлении, в котором эффект внешнего воздействия ослабляется.
Как происходит адаптация экосистемы к экологическим факторам?
Адаптация – приспособительный механизм для выработки устойчивости в геноме. 
Сукцессия – смена видового состава в структуре экосистемы во времени (развитие экосистемы).
Гомеостаз – механизм, вырабатывающий устойчивость системы по отношению к агрессивной внешней среде.
В каких экосистемах сумма всех производных интегральных (функциональных и структурных) показателей равна нулю?
В кибернетических системах сумма всех производных интегральных показателей равна нулю.
18. Что такое сукцессия и почему она происходит? В чем разница меду аллогенной и аутогенной сукцессиями (примеры)?
Сукцессия – смена видового состава в структуре экосистемы во времени (развитие экосистемы). Последовательная смена экосистем, преемственно возникающих на определенном участке земной поверхности под влиянием процессов внутреннего развития биологических сообществ, их взаимодействия с окружающей средой.
Причины начала процесса сукцессии:
1) Интервенция – внесение, внедрение организмов.
2) Изменение фундаментальных природных условий, параметров среды.
Аллогенная сукцессия – развивается по внешним законам (зарастание таежной гари)
Аутогенная сукцессия – развивается по внутренним законам (зарастание ледникового озера).
Что такое сукцессия и почему она происходит? В чем разница между первичной и вторичной сукцессией?
Сукцессия – смена видового состава в структуре экосистемы во времени (развитие экосистемы). Последовательная смена экосистем, преемственно возникающих на определенном участке земной поверхности под влиянием процессов внутреннего развития биологических сообществ, их взаимодействия с окружающей средой.
Причины начала процесса сукцессии:
1) Интервенция – внесение, внедрение организмов.
2) Изменение фундаментальных природных условий, параметров среды.
1)Первичная – процессы постепенного нарастания живых организмов, происходит там, где нет и не было никаких живых организмов, выигрывает R стратегия. Развивается по внутренним законам.
Пример.Взрыв острова Крокотао:
Из-за извержения вулкана уничтожился остров, выпало большое количество пепла (60 метров), образовалась стерильная территория, на которой не было жизни. Постепенно наросло новое вещество, через год обнаружили пауков, через 3 – появились лишайники и насекомые, через 5 – выросли низкорослые кустарники, через 50 лет появился молодой тропический лес.
2) Вторичная – развивается на тех местах, где уже есть живое вещество, но оно разрушилось каким-то образом.
Пример. Был лес, который сгорел, ураган, наводнение, землетрясение. Брошенная пашня – вторичная сукцессия, автотрофная, превращается в лес.
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.
Гомеостаз и сукцессия экосистем
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.
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.
 |
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.
В экосистемах в результате взаимодействия круговорота веществ, потоков энергии и сигналов обратной связи от субсистем возникает саморегулирующийся гомеостаз без регуляции извне из «постоянной точки».
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:
2. упругую – способность 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:
— видовое – многообразие 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.
Отношение П / Д является функциональным показателем зрелости экосистем.
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