Роль механизмов обратной связи в экосистемах. 
Реальность ноосферы

Содержание

• Введение
• 1. ЭКОСИСТЕМА
  • 1. 1. Понятие экосистемы
  • 1. 2. Связи в экосистеме. Обратная связь
  • 1. 3. Глобальность воздействия как главный фактор обратной отрицательной связи в экосистеме
• 2. НООСФЕРА
  • 2. 1. Биосфера ноосфера
  • 2. 2. Реальность ноосферы
• Заключение
• Список литературы

Экологическая система представляет собой любую совокупность живых организмов и следы их обитания, взаимосвязанных обменом веществ, энергии, и информации, которую можно ограничить в пpостpанстве и во времени по значимым для конкретного исследования принципам (6).

Изучение пpиpодных экосистем в общем случае производится в стpуктуpном и функциональном аспектах. В стpуктуpном отношении исследуется видовой состав экосистемы: выясняется пеpечень видов микpооpганизмов, pастений и животных, населяющих экосистему, их количественное соотношение.

Существование экосистем немыслимо без связей. Последние делят па прямые и обратные. Прямой называют такую связь, при которой одни элемент (А) действует на другой (В) без ответной реакции. Примером такой связи может быть действие древесного яруса леса на случайно выросшее под его пологом травянистое растение или действие солнца на земные процессы. При обратной связи элемент В отвечает на действие элемента А. Обратные связи бывают положительными и отрицательными (7). И те и другие играют существенную роль в экологических процессах и явлениях.

Самая большая экосистема Земли биосфера. Однако она под влиянием научной мысли и человеческого труда биосфера переходит в новое состояние в ноосферу, то есть такое состояние, в котором человеческий разум и направляемая им работа представляют собой новую мощную геологическую силу. Это совпало, видимо не случайно, с тем моментом, когда человек заселил всю планету, все человечество экономически объединилось в единое целое и научная мысль всего человечества слилась воедино, благодаря успехам в технике связи.

1. ЭКОСИСТЕМА

1.1 Понятие экосистемы.

Экосистема (от греч. óikos жилище, местопребывание и система), природный комплекс (биокосная система), образованный живыми организмами (биоценоз) и средой их обитания (косной, например атмосфера, или биокосной почва, водоём и т. п.), связанными между собой обменом веществ и энергии (6). Это одно из основных понятий экологии, приложимое к объектам разной сложности и размеров. Примеры экосистем пруд с обитающими в нём растениями, рыбами, беспозвоночными животными, микроорганизмами, донными отложениями, с характерными для него изменениями температуры, количества растворённого в воде кислорода, состава воды и т. п., с определённой биологической продуктивностью; лес с лесной подстилкой, почвой, микроорганизмами, с населяющими его птицами, травоядными и хищными млекопитающими, с характерным для него распределением температуры и влажности воздуха, света, почвенных вод и др. факторов среды, с присущим ему обменом веществ и энергии. Гниющий пень в лесу, с живущими на нём и в нём организмами и условиями обитания, тоже можно рассматривать как экосистему.

В идеальном случае экосистема со сбалансированной жизнедеятельностью автотрофных организмов и гетеротрофных организмов могут приближаться к замкнутой системе, обменивающейся с окружающей средой только энергией. Однако в естественных условиях длительное существование экосистемы возможно только при притоке из окружающей среды не только энергии, но и большего или меньшего кол-ва вещества. Все реальные экосистемы, в совокупности слагающие биосферу Земли, принадлежат к открытым системам, обменивающимся с окружающей их средой веществом и энергией.

Термин «экосистема» можно приложить как к природным, так и к искусственным экосистемам, таким, например, как сельско-хозяйственные угодья, сады, парки.

В процессе всестороннего изучения природных комплексов взаимодействующих между собой растений, животных и микроорганизмов учёные давали этим надорганизменным единицам разные названия. Большая часть из предложенных терминов не получили распространения, некоторые используются лишь в определённых случаях (например, термином «биом» в США обозначают такие макроэкосистемы, как зона хвойных лесов, степная зона и др.). Термин «экосистема», вытеснивший многие другие термины сходного содержания, предложил в 1935 английский ботаник А. Тенсли. В 1944. Н. Сукачёв стал пользоваться применительно к наземным живым системам термином биогеоценоз, не считая, однако, его тождественным экосистеме. Действительно, даже аквариум или пчелиный улей несомненно представляют собой экосистему, но не могут быть названы биогеоценозами. Кроме того, общая особенность биогеоценоза меньшая суммарная биомасса животных по сравнению с биомассой растений, в то время как в водной экосистеме господствует обратное их соотношение (9).

Экосистема характеризуются видовым составом, численностью особей отдельных видов, их биомассой, распределением и сезонной динамикой. Начиная с 4050-х гг. 20 в. развернулись исследования, позволяющие количественно характеризовать функциональные особенности экосистем, прежде всего цепи питания, через которые осуществляется биологическая трансформация вещества и энергии. Количественное выражение интенсивности и эффективности этих процессов с помощью современной методов, в частности математического моделирования экологических систем, необходимая основа решения актуальных вопросов рационального использования биологических ресурсов природы и сохранения среды обитания человека (13).

1.2 Связи в экосистеме. Обратная связь.

Экология как наука рассматривает системы, звенья и члены которых находятся в тесной взаимосвязи и взаимозависимости. Из этого вытекает необходимость учета множества факторов при анализе тех или иных экологических явлений и тем более при планировании любых вмешательств в экосистемы.

Говоря о системных явлениях, важно познакомиться с видами систем, общими положениями теории систем. Обычно различают три вида систем (4):

1) изолированные, которые не обмениваются с соседними ни веществом, ни энергией,

2) закрытые, которые обмениваются с соседними энергией, но не веществом (например космический корабль), и

3) открытые, которые обмениваются с соседними и веществом, и энергией. Практически все экологические системы относятся к типу открытых.

Существование систем немыслимо без связей. Последние делят па прямые и обратные. Прямой называют такую связь, при которой одни элемент (А) действует на другой (В) без ответной реакции. Примером такой связи может быть действие древесного яруса леса на случайно вырсшее под его пологом травянистое растение или действие солнца на земные процессы. При обратной связи элемент В отвечает на действие элемента А. Обратные связи бывают положительными и отрицательными (7). И те и другие играют существенную роль в экологических процессах и явлениях.

Положительная обратная связь ведет к усилению процесса в одном направлении. Пример ее заболачивание территории, например, после вырубки леса. Снятие лесного полога и уплотнение почвы обычно ведет к накоплению воды на ее поверхности. Это, в свою очередь, дает возможность поселяться здесь растениям влагонакопителям, например сфагновым мхам, содержание воды в которых в 25−30 раз превышает вес их тела. Процесс начинает действовать в одном направлении: увеличение увлажнения — обеднение кислородом — замедление разложения растительных остатков — накопление торфа — дальнейшее усиление заболачивания (8).

Отрицательная обратная связь действует таким образом, что в ответ на усиление действия элемента, А увеличивается противоположная по направлению сила действия элемента В. Такая связь позволяет сохраняться системе в состоянии устойчивого динамического равновесия. Это наиболее распространенный и важный вид связей в природных системах. На них прежде всего базируется устойчивость и стабильность экосистем. Все это основывается на том, что управление в экосистемах основывается на обратной связи, изображаемой обратной петлей, по которой часть сигналов с выхода системы поступает обратно на ее вход (рис.1). При этом их влияние на управление системой может резко усилится (8). В природе часто низкоэнергетические сигналы вызывают высокоэнергетические реакции.

Рис. 1. Механизм обратной связи

В экосистемах формируются сложнейшие цепи и сети причинно-следственных связей, основанные на механизме обратной связи, которые часто образуют замкнутые кольца, именуемые контуром обратной связи. Простейшим примером такого контура служит модель «хищник-жертва» (волки — северные олени). Изобразим графически динамику их численностей (N) в зависимости от времени (t) (рис.2). На отрезке времени, А увеличение численности оленей (NО) вследствие благоприятных условий, прежде всего кормовых, приведет к увеличению численности волков (NВ). Вследствие этого поголовье оленей станет меньше (отрезок В), что ведет к уменьшению популяции хищника (отрезок С). Таким образом, численности «хищника» и «жертвы» взаимозависимы и образуют контур обратной связи.

В этом контуре (NВ) находится в положительной обратной связи от (NО) (отрезки, А и С), а (NО) имеет отрицательную обратную связь от (NВ) (отрезок В). В целом контур обратной связи имеет отрицательный знак и средние численности оленей и волков будут постоянными (5). Это определяет гомеостаз (гомос — одинаковый, стасис — одинаковый, гр.) системы «хищник-жертва». Гомеостазом называется способность организмов или экосистемы поддерживать устойчивое динамическое равновесие в изменяющихся условиях среды (14).

Рис. 2. График динамики численностей оленей, волков и сов

Подчеркнем, что экологические системы включают контуры отрицательных обратных связей для саморегуляции и поддержания своего гомеостаза.

Регулятор обратной связи играет роль фильтра, на границе между внешней и внутренней средами системы: мощные энергетические импульсы нивелируются, проходя внутрь, чем достигается стабилизация состояния. Если обратная связь перестанет функционировать, то перестанет существовать и саморегулируемая система, она распадется, а ее составные части наконец получат возможность перейти в термодинамически равновесное состояние.

1.3 Глобальность воздействия как главный фактор обратной отрицательной связи в экосистеме

Местообитание человека или, иначе говоря, его экосистема всегда подвергалось и подвергается тем или иным воздействием. В древности источником этих воздействий чаще всего выступала природа, в виде различных, стихийных бедствий. Со временем человек частично научился противостоять силам природы, частично смирился с ними, воспринимая их как должное. Однако всегда, на протяжении всей его истории, масштабы деятельности человека, были несоизмеримо меньше природных процессов. Человек был частью своей экосистемы, ибо его энергия соответствовала определенному трофическому уровню этой системы. Энергия человека была преимущественно продуктом пищевой энергии и частично энергией, отведенной от естественно протекающих природных процессов (ветра, течения рек и т. д.).

Однако с открытием движущей силы огн (т.е. пара) все начало меняться. В самодостаточной и саморегулирующейся экосистеме возник новый источник энергии, не вписывающейся в привычную пищевую сеть: солнце растение — животное. Этот новый источник энергии не был элементом цикла: он брал ее в одном месте и оставлял в другом. Произошёл разрыв в экосистеме. Человек, как ее часть нашел такой способ существования, который не подчинялся гомеостатическому контролю. Это оказалось возможным потому, что место, куда отводилась новая энергия, казалось бездонным. Положительная обратная связь подстегивала человека, до тех пор, пока его деятельность не стала соизмеримой с масштабами планеты. И тут то оказалось, что никакого другого, бездонного места нет, ибо Земля — это общий дом человека. Когда масштабы деятельности человека стали соизмеримы с его экосистемой, гомеостаз вновь заработал, но уже в виде отрицательной обратной связи. Дальнейшие попытки человека отвести результаты своей деятельности куда-то в дальний угол, начинают его бить ибо дальнего больше не существует.

Таким образом, пока деятельность человека не была соизмерима с масштабом его местообитания, механизм отрицательной обратной связи не сказывался; но как только воздействие на экосистему стало носить глобальный характер, экосистема тут же зажгла красный свет (10).

Глобальность как фактор воздействия на местообитание человека выражается в следующем: а) в сфере антропогенного воздействия оказалось вся природа Земли;

б) отрицательные последствия деятельности человека испытывают все народы планеты;

в) совокупная деятельность человека может так нарушить природное равновесие, что это подорвет естественное, биологическое основание жизни и приведет к гибели цивилизации.