Гомеостаз и сукцессия экосистем

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. 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.

Сукцессия, начинающаяся:

Ø при П < Д - автотрофная,

Ø при П > Д - гетеротрофная.

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.

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.