Что такое отрицательная обратная связь в биоценозах приведите примеры
Отрицательная обратная связь
Отрицательная обратная связь (ООС) — тип обратной связи, при котором изменение выходного сигнала системы приводит к такому изменению входного сигнала, которое противодействует первоначальному изменению.
Иными словами, отрицательная обратная связь — это такое влияние выхода системы на вход («обратное»), которое уменьшает действие входного сигнала на систему.
Отрицательная обратная связь делает систему более устойчивой к случайному изменению параметров.
Методы математического анализа систем, в том числе и охваченных отрицательной обратной связью, подробно рассматриваются теорией автоматического управления.
Содержание
Бытовой пример
Одним из самых простых примеров может служить устройство простейшего сливного бачка. По мере наполнения сливного бачка уровень воды в нем поднимается, что приводит к всплыванию поплавка, который блокирует дальнейшее поступление воды.
Отрицательная обратная связь в электронике
Показательный пример использования отрицательной обратной связи — построение усилителя со стабильным коэффициентом усиления на основе операционного усилителя.
Обычно ООС позволяет добиться хороших параметров усилителя, однако это справедливо в общем случае только для усиления постоянного тока или низких частот. Поскольку с повышением частоты задержка, вносимая усилителем, начинает давать существенный фазовый сдвиг усиливаемого сигнала, то и ООС работает уже не в соответствии с расчётом. Если и далее повышать частоту, то когда задержка станет порядка полупериода сигнала (то есть порядка 180 градусов по фазе), то ООС превратится в ПОС, а усилитель — в генератор. Для предотвращения этого, цепь ООС должна делаться частотно-зависимой.
В СВЧ усилителях обратная связь неприменима, поэтому стабилизировать усиление СВЧ каскадов весьма непросто. Однако, если нужно стабилизировать не усиление, а амплитуду (мощность) выходного сигнала, это легко реализовать в виде АРУ.
Отрицательная обратная связь в живых системах
Отрицательная обратная связь широко используется живыми системами разных уровней организации — от клетки до экосистем — для поддержания гомеостаза. Например, в клетках на принципе отрицательной обратной связи основаны многие механизмы регуляции работы генов (например, лактозный оперон), а также регуляция работы ферментов (ингибирование конечным продуктом метаболического пути). В организме на этом же принципе основана система гипоталамо-гипофизарной регуляции функций, а также многие механизмы нервной регуляции, поддерживающие отдельные параметры гомеостаза (терморегуляция, поддержание постоянной концентрации диоксида углерода и глюкозы в крови и др.). В популяциях отрицательные обратные связи (например, обратная зависимость между плотностью популяции и плодовитостью особей) обеспечивают гомеостаз численности.
Сильные положительные и отрицательные обратные связи.
Экологическая система.
3.1.Особенности экосистем:
1. Тесная взаимосвязь и взаимозависимость всех звеньев как биотических, так и абиотических.
Именно это позволяет говорить об экосистемах как о живых организмах, где все подсистемы точно «подогнаны» друг под друга. Попытки что-то откорректировать в этих связях приводит либо к включению механизмов гомеостаза (саморегулировки), возвращая систему в исходное состояние, либо к возникновению необратимых изменений, после которых экосистема существенно перестраивает свою структуру или гибнет.
Так, например, попытка избавиться от “вредных” с точки зрения человека насекомых или животных в какой-либо экосистеме может привести к непредсказуемым последствиям вплоть до гибели данной экосистемы. Достаточно вспомнить широкомасштабную эпопею с отстрелом волков в наших лесах. Это теперь мы называем волков санитарами леса.
Примером может служит парадоксальная локальная сейсмическая активность в Москве, приводящая к катастрофам в метро и в коммуникациях, к разрушению дорог и домов, нередко с человеческими жертвами. Причина оказывается в том, что малые реки и ручьи, русла которых были вовсе не случайными, ныне загнаны в трубы. Если раньше они ослабляли напряжения между геологическими плитами, на которых стоит город, то теперь эти напряжения постоянно накапливаются и в конце концов ослабляются, но уже с использованием катастрофических механизмов.
Сильные положительные и отрицательные обратные связи.
Типичная положительная обратная связь, характеризующая динамику численности популяции в условиях отсутствия сдерживающих факторов: чем больше особей в популяции, тем больше прирост численности.
Другой интересный пример: функционирование карбонатной системы океана (раствор СО2 в воде: СО2+ Н2О 
Н2СО3). Обычно количество углекислоты, растворенное в воде океана, находится в парциальном равновесии с концентрацией углекислого газа в атмосфере. Локальные увеличения углекислоты в атмосфере после извержения вулканов приводят к интенсификации фотосинтеза и поглощению ее карбонатной системой океана. При снижении уровня углекислого газа в атмосфере карбонатная система океана высвобождает СО2 в атмосферу. Поэтому концентрация углекислого газа в атмосфере достаточно стабильна.
Деятельность человека приводит к нарушению прямых и обратных связей в экосистемах. Например, умеренное загрязнение водоемов органикой приводит к интенсификации размножения микроорганизмов, что в свою очередь приводит к самоочищению водоема.
Неумеренное загрязнение ведет к чрезмерному размножению организмов-санитаров, что рано или поздно приводит к обеднению данного водоема кислородом, а значит, к угнетению и гибели этих организмов, разрушению связей, изменению системы и переходу ее на новый вид связей, то есть к заболачиванию.
Законы Коммонера
1. Все связано со всем. Любое изменение, совершаемые человеком в природе, вызывает цепь последствий, как правило неблагоприятных.
По сути дела, это одна из формулировок принципа единства Вселенной. Надежды на то, что какие-то наши действия, особенно в сфере современного производства, не вызовут серьезных последствий, если мы проведем ряд экозащитных мероприятий, во многом утопичны.
Так мы удлиняем трубы наших ТЭЦ, считая, что при этом вредные вещества более равномерно рассеются в атмосфере и не приведут к серьезным отравлениям среди окрестного населения. И действительно, кислотные дожди, вызванные повышенной концентрацией в атмосфере соединений серы, могут пройти совсем в другом месте и даже в другой стране. Но нашим домом является вся планета. Рано или поздно мы столкнемся с ситуацией, когда длина трубы уже не будет играть существенной роли.
2. Все должно куда-то деваться. Любое загрязнение природы возвращается к человеку в виде «экологического бумеранга».
Предыдущий пример является ярким подтверждением этому. Планета стала слишком тесной для нас. Она уже не справляется с силой антропогенного воздействия на нее. Любое наше вмешательство в природу возвращается к нам повышенными проблемами. На фоне этого рождаются различные “смелые” проекты утилизации наших отходов, особенно радиоактивных, в космосе, на других планетах, предлагают даже отправлять их на Солнце. К счастью у этих проектов имеется огромное количество оппонентов. Потому что второй закон Коммонера никто не отменял. Мы пока еще даже не представляем, какими могут конкретные механизмы “экологического бумеранга” в случае попытки “загрязнить Солнце”. Но лучше даже не пытаться.
3. Природа знает лучше. Действия человека должны быть направлены не на покорение природы и преобразование ее в своих интересах, а на адаптацию к ней.
Это одна из формулировок принципа оптимальности. В совокупности с принципом единства Вселенной он приводит к тому, что Вселенная в целом предстает как единый живой организм. То же можно сказать и о системах более низких иерархических уровней, таких как планета, биосфера, экосистема, многоклеточное существо и т.п. Любые попытки внести изменения в отлаженный организм природы, чреваты нарушением прямых и обратных связей, посредством которых реализуется оптимальность внутренней структуры данного организма.
Деятельность человека только тогда будет оправдана, когда мотивация наших поступков будет определяться в первую очередь той ролью, для выполнения которой мы были созданы природой, когда потребности природы будут иметь для нас большее значение, чем личные нужды, когда мы будем в состоянии во многом безропотно ограничить себя во благо процветания планеты.
4. Ничего не дается даром. Если мы не хотим вкладывать средства в охрану природы, то придется платить здоровьем, как своим, так и потомков.
Вопрос об охране природы очень сложен. Ни одно наше воздействие на природу не проходит бесследно, даже если выполнены, казалось бы, все требования экологической чистоты. Хотя бы потому, что развитие экозащитных технологий требует высококачественных источников энергии. Даже если сама энергетика перестанет загрязнять атмосферу и гидросферу вредными веществами, все равно остается нерешенным вопрос теплового загрязнения. Согласно второму закону термодинамики, любая порция энергии, претерпев ряд превращений, рано или поздно перейдет в тепло. Пока еще мы не в силах состязаться с Солнцем по количеству поставляемой на Землю энергии, но наши силы растут. Мы горим желанием открыть новые источники энергии. Как правило мы высвобождаем энергию, накопленную когда-то разными формами вещества. Это гораздо дешевле, чем улавливать рассеянную энергию Солнца, но напрямую ведет к нарушению теплового баланса планеты. Не случайно средняя температура в городах на 2-3 (а иногда и больше) градуса выше, чем за пределами города в той же местности. Рано или поздно этот “бумеранг” к нам вернется.
Поэтому должен измениться сам подход к понятию экологической чистоты. Тем не менее любые вложения средств в охрану природы должны приветствоваться. И на первый план в мотивации человека должно выйти не получение наибольшей прибыли с меньшими затратами, а гармоничность производства.
Дата добавления: 2015-10-26 ; просмотров: 4907 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Положительная и отрицательная обратная связь в природных экосистемах
Среди форм отношений между элементами различных систем в живой природе и в человеческом обществе одно из главных мест занимают парные взаимодействия, которые обобщенно могут быть обозначены как «ресурс-потребитель ресурса». Взаимодействия в каждой из таких пар можно представить в виде контура обратных связей. В качестве примера действия обратной связи рассмотрим взаимозависимость следующих явлений. Корни многих бобовых растений образуют симбиоз с клубеньковыми бактериями, которые снабжают растения нитратами. Это повышает продуктивность растения, увеличивают количество углеводов, потребляемых клубеньковыми бактериями, а это в свою очередь способствует усилению фиксации азота.
При повышении вулканической деятельности в атмосферу Земли поступают дополнительные количества СО2, что может привести к росту его содержания. Однако это усиливает фотосинтетическую активность растений, что в свою очередь вызывает повышенное потребление растениями СО2, а это способствует снижению его содержания в атмосфере. В кибернетике обратную связь определяют как возвращение части сигнала с выхода системы на ее вход. В первом случае обратная связь усиливает действие входного сигнала, (продуктивность растения увеличивается вместе с ростом азотфиксирующей способности бактерий). Такую обратную связь называют положительной. Такие связи не только не способствуют регуляции, а наоборот, генерируют дестабилизацию систем, приводя их либо к угнетению и гибели, либо к ускоряющемуся росту, за которым, как правило, также следует срыв и разрушение системы. Во втором случае взаимосвязь явлений «гасит», нейтрализует внешнее воздействие. Это отрицательная обратная связь.
На принципе отрицательной обратной связи построены все механизмы регуляции физиологических функций в любом организме и поддержание постоянства внутренней среды, т.е. гомеостаза любой авторегуляторной системы. Все экологические системы включают контуры отрицательных обратных связей. Системы, контролируемые внутренней обратной связью, обладают определенной независимостью поведения, проявляющиеся в их способности к саморазвитию и устойчивости.
Выделяют два типа простейших контуров обратной связи: усилитель сигнала и регулятор сигнала.
Регулятор сигнала – контур с отрицательной обратной связью. Этот механизм обеспечивает стабилизацию состояния системы, возмущаемой внешним воздействием. Примером действия отрицательной обратной связи в биоценозах может служить взаимодействие в системе «хищник-жертва». Рост численности популяции жертвы, обусловленный благоприятными внешними условиями вызывает рост численности популяции хищников, что в свою очередь, снижает численность жертвы, (контур работает по принципу «чем больше, тем меньше»). В целом такой контур имеет отрицательный знак. Это значит, что система авторегуляторна и может сама себя поддержать в рамках определенного уровня соотношения численностей.
Самостоятельная работа № 4
Экология: биология взаимодействия. 1.07. Регуляция биосистем
Українська мова (найновіша версія) / Русский язык (обновление прекращено)
1.07. Регуляция биосистем
Жизнь основана на непрерывном изменении, в котором, тем не менее, сохраняются постоянными большинство важных свойств живых систем. Так, всего за год в теле каждого человека сменяется большинство атомов, а сам человек остается практически таким, как был. На протяжении столетий в лесу сменяются все населяющие его организмы, но важные свойства леса сохраняются постоянными. Какие свойства биосистем обеспечивают такую устойчивость в ходе изменений?
Для ответа на этот вопрос важны кибернетические (относящиеся к науке об управлении) понятия прямой и обратной связи. Прямая связь — это влияние какого-то фактора на изучаемую систему (пример: поворачивая руль, водитель изменяет направление движения автомобиля). Обратная связь — зависимость управляющего воздействия от состояния самой системы (пример: изменение движения автомобиля влияет на повороты руля водителем). Таким образом, обратная связь — это управление системой с учетом ее состояния, зависимость управляющего воздействия от его результатов (рис. 1.7.1, А).
Рис. 1.7.1. Пояснение понятия обратной связи. А. Прямая и обратная связи. Б. Пример обратной связи
Выделяют два типа обратных связей. Положительные обратные связи усиливают отклонение управляемой величины от исходного состояния, а отрицательные обратные связи возвращают систему в прежнее состояние. Иначе можно сказать, что положительные обратные связи — это взаимная стимуляция двух процессов, а обратные — подавление отклонений управляемого процесса.
Рассмотрим простейший пример: над жарко горящим костром кипит котелок с водой. Если огонь горит слишком сильно, часть воды выплескивается, частично заливает костер и уменьшает интенсивность горения. Когда огонь затухает, выплескивание прекращается, и огонь постепенно разгорается вновь. В данном примере отклонение управляемой величины (интенсивности горения) вызывает такое изменение действия управляющего фактора (выплескивания), которое оказывает на управляемую величину воздействие, противоположное (отрицательное по знаку) начальному отклонению. Значит, в данном случае мы имеем дело с отрицательной обратной связью.
А в каком случае в подобном примере обратная связь окажется положительной? Если в котелке вместо воды будет керосин! При этом чем ярче будет гореть костер, тем сильнее будет выплескиваться керосин, что будет еще более усиливать горение костра.
Существенно, что в примере с котелком положительные обратные связи быстро выведут систему из ее исходного состояния (котелок с керосином опустеет), а отрицательные (если в котелке — вода) приведут к сохранению ее свойств относительно постоянными. Отрицательные обратные связи стабилизируют систему, а положительные — переводят ее в иное состояние (т.е. разрушают прежнюю структуру взаимосвязей). Наличие альтернативных режимов функционирования биосистем определяется комбинациями двух типов обратных связей: отрицательные стабилизируют каждый режим, а положительные обеспечивают переключение между такими режимами.
Например, изменения в ходе онтогенеза управляются положительными обратными связями. Так происходит, к примеру, развитие влюбленности (переключение с одной поведенческой программы на другую): стимул вызывает интерес, интерес усиливает действие стимула. Интерес вызывает определенные действия, которые также приводят к возрастанию стимула и росту интереса и т.д. Процесс ухаживания и сближения достигает кульминации, после чего система переходит в иное состояние…
Обычно отрицательные обратные связи могут действовать в определенном диапазоне регуляции. При выходе за пределы этого диапазона вступают в действие разрушающие систему положительные обратные связи. Возвращаясь к примеру с котелком на костре, можно убедиться, что и резкое возрастание силы пламени, и потухание костра выведет систему за пределы «коридора» в котором ее состояние регулируется отрицательными обратными связями. Приведем более актуальный пример: увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере активизирует снижающие его реакции (усиливает фотосинтез, увеличивает связывание в виде карбоната кальция в Мировом океане). При выходе концентрации углекислого газа за определенные границы (например, при его чрезмерном повышении) включаются механизмы, переводящие систему в другое состояние. Рост температуры из-за парникового эффекта вызывает уменьшение фотосинтезирующей зеленой массы, ускорение высвобождения углекислоты из почвы и т.д., что может привести к дальнейшему повышению концентрации СО2 (и переходу системы в другое состояние с другими стабилизирующими его отрицательными обратными связями).
Биологические системы можно рассматривать как кибернетические, характеризующиеся упорядоченными внутренними взаимодействиями. В организмах управляющая система внутренняя и специализированная, в технических устройствах с отрицательной обратной связью (сервомеханизмах) — внешняя и специализированная, в экосистемах — внутренняя и неспециализированная (рис. 1.7.2). Типичной особенностью всех кибернетических систем является то, что низкоэнергетические процессы в них управляют высокоэнергетическими (движение руки на рубильнике останавливает завод). На организменном уровне существенные перестройки обмена веществ могут вызвать всего несколько молекул гормонов. В экосистемах наибольшее регулирующее воздействие на сообщество могут оказывать вершинные хищники, которые ответственны лишь за небольшую долю проходящего в экосистеме обмена веществ. Перепончатокрылые паразитоиды (см. пункт 4.06) трансформируют небольшую долю потока энергии, протекающего через биоценоз, но эффективно регулируют его чистую продукцию через растительноядных насекомых.
Рис. 1.7.2. Особенности отрицательных обратных связей в техническом устройстве (А.) и экосистеме (Б.)
Регуляция на различных уровнях биосистем часто осуществляется благодаря отрицательным обратным связям, что придает многим биосистемам сходные свойства. Приведем несколько примеров регуляции по принципу отрицательных обратных связей на разных уровнях биосистем.
Таблица 1.7.1. Примеры регуляции по принципу отрицательной обратной связи для разных уровней организации биосистем
Уровень
Пример регуляции по принципу отрицательной обратной связи
Отрицательная обратная связь
Отрицательная обратная связь (ООС) — тип обратной связи, при котором выходной сигнал передается обратно на вход для погашения части входного сигнала.
Отрицательная обратная связь делает систему более устойчивой к случайного изменения параметров.
Методы математического анализа систем, в том числе и охваченных отрицательной обратной связи, подробно рассматриваются теории автоматического управления.
Бытовой пример
Одним из самых простых примеров может служить устройство обычного сливного бачка в туалете. По мере наполнения сливного бачка уровень воды в нем поднимается, что приводит к всплытия поплавка, который блокирует дальнейшее поступление воды.
Отрицательная обратная связь в электронике
Показательный пример использования отрицательной обратной связи — строение усилителя со стабильным коэффициентом усиления на основе операционного усилителя (ОУ).
Пусть дано некоторое ОП с коэффициентом усиления порядка 10 июня. На основе этого ОП нужно создать усилитель с входным сопротивлением не менее 5 кОм и коэффициентом усиления 2. Для этого на инвертирующий вход ОУ относится резистор с сопротивлением, немного больше от нужного входного (допустим, 7 кОм), а в цепь обратной связи — резистор с номиналом вдвое больше. Аналитическая формула показывает, что такой способ построения усилителей является приближенным, однако в силу большой величины коэффициента усиления, погрешность от применяемых предположений оказывается меньше, чем от неточности изготовления элементов.
Обычно ООС позволяет добиться хороших параметров усилителя, однако это справедливо в общем случае только для усиления постоянного тока или низких частот. Поскольку с повышением частоты задержка, вносимая усилителем, начинает давать существенный фазовый сдвиг усиливаемого сигнала, то и ООС работает уже не в соответствии с расчетом. Если и дальше повышать частоту, то когда задержка станет порядка полупериода сигнала (то есть близкой к 180 градусов по фазе), то ООС превратится в ПЗС, а усилитель — в генератор. Для предотвращения этого, цепь ООС должен делаться частотно-зависимым.
В СВЧ-усилителях обратная связь неприменим, так стабилизировать усиление СВЧ-каскадов весьма непросто. Однако, если нужно стабилизировать НЕ усиления, а амплитуду (мощность) выходного сигнала,
Отрицательная обратная связь в живых системах
ООС широко используется живыми системами разных уровней организации — от клетки до экосистем — для поддержания гомеостаза. Например, в клетках на принципе ООС основаны многие механизмы регуляции работы генов, а также регулирования работы ферментов (ингибирование конечным продуктом метаболического пути). В организме на этом же принципе основано систему гипоталамо-гипофизарной регуляции функций, а также многие механизмы нервной регуляции, поддерживающих отдельные параметры гомеостаза (терморегуляция, поддержания постоянной концентрации диоксида углерода и глюкозы в крови и др.). В популяциях ООС (например, обратная зависимость между плотностью популяции и плодовитостью особей) обеспечивают гомеостаз численности.