Принципы устойчивости экосистем.

Все компоненты экосистем находятся во взаимосвязи друг с другом, образуя круговорот химических элементов. Обмен веществом между организмами можно рассматривать как процесс передачи энергии и информации. Таким образом, в любой экосистеме, где существуют трофические цепи, существуют каналы передачи информации (химической, энергетической). Сбалансированность биологического круговорота и устойчивость экосистем с точки зрения кибернетики обеспечивается механизмом обратной связи.

Рассмотрим некоторый объект управления.

На этот объект действует управления параметрами и - вектор возмущающих параметров.

отличается от тем, что на его составляющие мы можем воздействовать. На выходе имеем - вектор выходных параметров. Если бы являлся только функцией управления параметрами, то мы бы всегда могли предсказать значение . Однако является функцией не только , но и , и в связи с этим точно предсказать значение мы не можем.

Принцип обратной связи заключается в следующем: некоторый управляющий компонент системы получает информацию с выхода управляемой системы и использует эту информацию для коррекции процесса управления.

Обратная связь бывает отрицательной, в этом случае она стабилизирует систему, возвращает состояние равновесия, и положительной, которая раскачивает систему, выводя из состояния равновесия.

Рассмотрим экологическую систему, состоящую из двух популяций: популяция хищника и популяция жертвы.

Допустим, численность популяции жертвы возросла, в результате чего для хищников становится больше еды и популяция хищника тоже растёт. Количество хищников становится больше, они начинают уничтожать больше жертв, в результате чего численность популяции жертв падает, а затем с некоторым запаздыванием начинает падать численность популяции хищников и система возвращается в исходное состояние.

Здесь мы видим работу отрицательной обратной связи. При некоторых условиях, обратная связь, т.е. передача информации нарушается. Например, если возникнет эпидемия или в системе появился новый хищник, на языке кибернетики говорят, что в каналах обратной связи появились помехи. Роль помех могут играть и абиотические факторы. Воздействие естественных помех на популяцию носит случайный статистический характер, т.е. особи, для которых помехи оказались непреодолимыми погибнут, а более стойкие выживут. Таким образом, под влиянием таких помех происходит естественный отбор и они являются фактором эволюции. Кибернетический подход позволяет объяснить причины биологического равновесия экосистем и условия, при которых это равновесие обеспечивается.

Каждая система обладает определённым запасом информации, под которой понимается мера организованности или упорядоченности системы. Чем сложнее система, чем больше в ней перекрещивающихся трофических и энергетических цепей, тем больше в системе запас информации. Каждая открытая система при обмене веществом и энергией с внешней средой получает из неё информацию. При этом, эта информация стремится вывести систему из состояния равновесия. Накопленная же система информации способна компенсировать нарушение структуры и возвратить систему в стабильное состояние. Таким образом, экологические системы тем устойчивее во времени и пространстве, чем они сложнее или стабильность сообщества определяется числом связей между видами в трофической пирамиде. Человек постоянно вмешивается в процессы, происходящие в экосистемах и влияет как на отдельные звенья, так и системы в целом. Чаще всего, это не приводит к разрушению системы, нарушению её стабильности, однако, это не означает, что система осталась неизменной. Уровень сложности системы при этом уменьшается и соответственно уменьшается запас устойчивости.

Гомеостатическое плато – это область пространства экологических параметров, в пределах которой механизмы отрицательной обратной связи способны, не смотря на стрессовое воздействие, сохранить устойчивость системы хотя бы и в изменённом виде.

Круговорот воды.

Вода - весьма распространенное на Земле вещество. Почти 3/4 поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки, озера. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также находится вода, пропитывающая почву и горные породы.

Природная вода не бывает абсолютно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха.

Весьма важное значение для нашей планеты имеет КРУГОВОРОТ ВОДЫ. Он слагается из процессов, имеющих разную протяженность - от оборота воды на протяжении суток в результате транспирирующей деятельности одного растения, всасывающего выпавшею атмосферную воду корнями и вновь возвращающего ее в атмосферу листьями, до медленного движения огромных масс воды, связывающего земную кору с гидросферой и атмосферой.

Круговорот воды на поверхности Земли складывается из 520 тыс. км выпадающей и такой же массы испаряющейся воды. При этом на континентах выпадает в год 109000 км, а испаряется 72000км. Разница в 37000 км и есть цифровое значение полного речного стока. С поверхности Мирового океана испаряется воды больше (448000 км), чем выпадает осадков (441000 км). Разность покрывается стоком речных вод.

Огромный круговорот воды сопровождает процесс созидания органического вещества. Выделяемый растениями кислород образуется при реакции фотосинтеза за счет расщепления воды. Однако на фотосинтез расходуется всего около 1% воды, проходящей из почвы через растения в атмосферу. Чтобы вырастить 1 ц пшеницы, растения должны пропустить через себя не менее 10000кг воды. По расчетам О.П. Добродеева, при формировании общепланетарной биомассы всех ныне существующих живых организмов в результате фотосинтеза было расщеплено такое количество воды, которое в 3,5 раза больше количества, находящегося во всех реках мира.

Время, необходимое для прохождения всей воды нашей планеты через систему биологического круговорота, можно определить следующим образом. Общая масса воды в наружных оболочках Земли - земной коре, гидросфере и атмосфере, по данным А.П.Виноградова, составляет 160000000 млрд. т. Масса воды, захватываемая годовой продукцией фотосинтезирующих организмов, около 800 млрд.т/г. Период полного оборота всей воды в процессе образования живого вещества примерно 2 млн. лет. Таким образом, вся огромная масса гидросферы Земли за 2 млн. лет проходит через растительные организмы, масса которых ничтожно мала по сравнению с водной оболочкой.

Круговые движения воды не ограничиваются поверхностью Земли. Значительное количество воды присутствует в горных породах в виде пленочных и поровых вод, еще больше входит ее в состав минералов, образующихся в зоне гипергенеза. Все глинистые минералы, оксиды железа и другие распространенные в этой зоне соединения содержат в своем составе воду. Подсчитано, что в 16-ти километровом слое земной коры содержится примерно 200 млн. км воды. Поступая в глубинные зоны земной коры, связанные формы воды постепенно освобождаются и включаются в метаморфические, магматические и гидротермические процессы. С вулканическими газами и горячими источниками глубинные воды поступают на поверхность.