загрузка...
загрузка...
На головну

Саморегуляція в популяціях і екосистемах

  1. агроекосистемах
  2. У агроекосистемах
  3. У агроекосистемах
  4. Генетичні процеси в популяціях
  5. ГЕНЕТИЧНИЙ ВАНТАЖ В популяції тварин
  6. Штучні радіонукліди в морських екосистемах
  7. Кругообіг речовин і потік енергії в екосистемах

Загальне уявлення про структуру екологічної системи було викладено при характеристиці рівнів організації життя (глава 2) і глобального кругообігу речовин і енергії (глава 3). Нагадаємо, що повноцінна екосистема являє собою біогеоценоз - Нерозривна єдність біоценозу і абиотической навколишнього середовища. біоценоз - Цей складний кризовий співтовариство з популяцій організмів різних видів і різних трофічних груп: тварин, рослин, грибів, мікроорганізмів, що населяють певний ареал. При цьому популяцією позначають сукупність особин одного виду, що мешкають на даному ареалі. Вся сума факторів неживої середовища (грунт, повітря, вода, освітленість та ін.) Визначає властивості біотопу - Місця перебування даного біоценозу.

Перебуваючи під дією різноманітних екологічних факторів, добре збалансований за складом біоценоз, тим не менш, саморегулюється і підтримує внутрішнє сталість - гомеостаз. Стан гомеостазу проявляється в тому, що 1) організми нормально розмножуються; 2) незважаючи на високу природну смертність, чисельність різних популяцій в співтоваристві підтримується на певних рівнях, Хоча і в коливальному режимі; 3) біоценоз зберігає стійкість і самовідтворюється при коливаннях кліматичних умов.

Тепер трохи докладніше розглянемо ці закономірності і розкриємо основні механізми екологічної стійкості.

(1) Саморегуляція в популяціях організмів

Елементарна саморегуляція здійснюється на рівні окремих популяцій конкретних видів тварин, рослин, грибів, бактерій. Чисельність популяції залежить від протидії двох начал: біотичного (репродуктивного) потенціалу популяції і опору середовища, Між якими встановлюються пряма і зворотна зв'язку (рис. 5.5). Пояснимо це конкретним прикладом. Коли європейці завезли до Австралії кроликів, останні, не зустрівши хижаків, швидко розселялися по багатим рослинністю територіям, їх чисельність швидко зростала. цьому сприяв високий біотичний потенціал (Плодючість) кроликів. Але незабаром їжі стало не вистачати, виник голод, поширилися хвороби, і чисельність кроликів пішла на спад. спрацював фактор опору середовища, Який і виступив в якості негативного зворотного зв'язку. Поки популяція кроликів перебувала в пригніченому стані, середовище (рослинність) відновилася, і процес пішов на нову хвилю. Через кілька циклів амплітуда коливань чисельності кроликів скоротилася і встановилася певна середня щільність популяції.

Мал. 5.5. Саморегуляція чисельності особин в популяції

Крім дії середовища, чисельність популяції саморегулюється поведінкою її членів. Наприклад, у багатьох гризунів в перенаселеній популяції підвищується агресивність особин, виникає канібалізм (дорослі особини поїдають дитинчат), що гальмує подальше зростання чисельності. Відбуваються зміни в гормональній регуляції розмноження, зменшується народжуваність і збільшується смертність. В основі цих регуляторних механізмів лежить фізіологічна реакція стресу, керована виділенням адреналіну (див. Попередній розділ). Так механізми саморегуляції окремих організмів узгоджуються з механізмами саморегуляції популяцій.

(2) Саморегуляція в біоценозі

Складніше організована саморегуляція в біоценозі, Так як він складається з декількох взаємодіючих спільнот тварин, рослин, грибів, бактерій, складених численними популяціями різних видів. Всі ці популяції взаємодіють на основі численних прямих і зворотних зв'язків.

Перш за все, важливі трофічні (харчові) зв'язку, Які шикуються в кілька рівнів. Як ми з'ясували раніше, за характером харчових відносин все організми діляться на три великі групи, три трофічних рівня: продуценти, консументи і редуценти (Розділ 3.4, рис. 3.4). Шляхи передачі речовини і енергії через харчові відносини організмів позначаються як ланцюга харчування, або харчові ланцюги. Ці ланцюги мають односторонню спрямованість: від автотрофной біомаси продуцентів, в основному зелених рослин, до гетеротрофних консументам і далі до редуцентам.

Ланцюги харчування мають різну складність. Число ланок в кожному з трьох рівнів може бути різним, а в багатьох випадках ланцюг утворена лише двома рівнями - продуцентами і редуцентамі. Дворівнева ланцюг складає основу обороту живої матерії в лісі: деревина і листової опад (речовина продуцентів) споживаються і переробляються в основному редуцентамі - грибами, бактеріями, деякими хробаками і комахами. Довгий ланцюг: рослини - травоїдні комахи (сарана, личинки метеликів - гусениці і ін.) - Хижі комахи (багато жужелиці, бабки, клопи, личинки ос і ін.) - Комахоїдні птахи (ластівки, мухоловки і ін.) - Хижі птахи ( орел, шуліка і ін.) - комахи сапрофагі і некрофаги, черви, бактерії. Складні харчові ланцюги складаються в морських екосистемах (рис. 5.6).

Мал. 5.6. Харчові ланцюги в морській екосистемі

У будь-харчового ланцюга можливі відгалуження і запасні шляхи. Якщо якась ланка випадає, потік речовини йде по інших каналах. Наприклад, випадання личинок бабок компенсується водними клопами - ті і інші водні хижаки. Якщо зникає основний вид харчової рослинності, травоїдні тварини переходять на другорядні корми. Особливо велику плутанину в харчові ланцюги вносять всеїдні тварини і, звичайно, людина, так як вони "вбудовуються" в ланцюзі в самих різних ланках. Так що насправді існують не ланцюга, а харчові мережі - Кожен трофічний рівень утворений багатьма видами. Такий стан стабілізує потоки речовини і енергії через живі спільноти, збільшує стійкість біоценозів. Проте загальний напрям трофічного потоку незмінне: продуценти - консументи декількох порядків - редуценти.

Тепер сформулюємо головну думку цього розділу: харчова піраміда екосистеми здійснює саморегуляцію, Тобто зберігає внутрішній, екосистемний гомеостаз. Оптимальні чисельність і пропорція різних мешканців біоценозу встановлюються самі по собі, в результаті процесів саморегуляції. У всіх популяціях, на всіх трофічних рівнях завжди відбувається коливання чисельності особин, Причому коливання на нижчому рівні незмінно ведуть до коливань на наступному рівні, але в цілому на значному протязі часу система підтримує рівноважний стан.

Мал. 5.7. Саморегуляція біоценозу на основі харчових зв'язків

На рис. 5.7 наведено приклад саморегульованого біоценозу. Залежно від коливань погодно-кліматичних умов (сонячна активність, кількість опадів і ін.) Рік від року варіюється урожай кормових рослин - продуцентів. Слідом за зростанням зеленої біомаси збільшується чисельність травоїдних тварин - консументів першого порядку (пряма позитивна зв'язок), але вже на наступний рік це негативно позначиться на врожаї рослин, так як більшість з них не встигне дати насіння, оскільки буде з'їдено (зворотна негативна зв'язок). У свою чергу, збільшення числа травоїдних створить умови для гарного харчування і розмноження хижаків - консументів другого порядку, їх чисельність буде збільшуватися (пряма позитивна зв'язок). Але слідом піде на спад чисельність травоїдних (зворотна негативна зв'язок). До цього часу в грунті за рахунок активності різних редуцентов почнуть розкладатися до мінеральних речовин останки коренів і трав'яний опад від першої хвилі врожаю, а також трупи і екскременти тварин, що створить сприятливі умови для росту рослин. Розпочнеться друга хвиля врожаю, і цикл повториться. Рік від року чисельність популяцій організмів на різних трофічних рівнях буде варіювати, але в середньому протягом багатьох років біоценоз буде зберігати стійкий стан. Це і є екологічний гомеостаз.

(3) Сталий розвиток екологічних систем

Як зазначено спочатку, біоценоз повинен не просто саморегулюватися (судячи по наведеній схемі, це не так вже й складно), але він повинен мати стійкість до змін зовнішніх (абіотичних, погодно-кліматичних) факторів, Так би мовити, запас міцності на випадок тимчасових несприятливих умов середовища або навіть довгострокового спрямованого зміни клімату. Підтримці високої стійкості біоценозу сприятиме ряд умов: 1) високий, але збалансований репродуктивний потенціал окремих популяцій - на випадок масової загибелі особин; 2) адаптації (Пристосування) окремих видів до переживання несприятливих умов; 3) максимальне різноманітність спільнот і розгалужені харчові мережі: зниклий об'єкт повинен замінятися іншим, в нормі - другорядним.

Фактично процеси накопичення в біоценозі індивідуальних і видових адаптацій, перебудови в харчових мережах, тобто заміни одних видів на інші, що сприяють тривалого виживання спільноти, складають в сукупності екологічний гомеокінез - адаптивну перебудову до нових гомеостатичним станів. Як пам'ятаємо, гомеокінез - це вже не стійкість, а розвиток. тоді весь процес досить тривалого існування біогеоценозу, що поєднує гомеостатические і гомеокінетіческіе фази, слід назвати стійким розвитком. Сталий розвиток екосистеми характеризується її самовідтворенням, саморегуляцією видового складу і чисельності особин, динамічної стійкістю до зміни кліматичних факторів.

але процес сталого розвитку екосистеми може бути порушений. Найбільш типові два сценарії. У природних умовах біоценоз практично руйнується при сильних, катастрофічних змін зовнішнього середовища (Пожежі, повені, тривалі посухи, заледеніння і інші природні катаклізми). Крім того, біоценоз істотно змінює свій вигляд при різких змінах складу співтовариств (Зазвичай людиною), наприклад в результаті масового відстрілу хижаків, заселення нових видів, як було з кроликами або вівцями в Австралії, вирубки лісів, оранки степів під монокультуру, осушення боліт і т.д. такі катастрофічні події призводять до загибелі значної частини населення біоценозу, повного зникнення окремих видів, руйнування харчових зв'язків і, природно, переривають стан сталого розвитку. Біоценоз в його колишньому складі перестає існувати.

Надалі відбувається поетапна зміна складу екосистеми, її перехід в нову якість, Що означає формування нового біоценозу, новий цикл в напрямку сталого розвитку. Такий «екологічний ренесанс» називається сукцесій (Лат. successio - Спадкоємність), так як заселення нових видів йде послідовно, від нижчих форм (бактерій, нижчих грибів, водоростей) до все більш складним (мохи та лишайники, далі трави, черви і комахи, чагарники і т.д.). На старому місці формуються нові спільноти організмів, з новими харчовими зв'язками. Процес зміни екосистеми та її розвитку до нового стану стійкості відбувається не тільки поетапно, але і дуже повільно - в залежності від ступеня руйнування, від десятиліть до декількох тисяч років.

Таким чином, незважаючи на саморегуляцію в екологічних системах, природа закономірно і необоротно змінюється. Це природний біогеохімічний процес, що йде незалежно від волі і діяльності людини. Коли він протікає без різких відхилень, говорять про сталий розвиток екосистем. У цьому визначенні відбито єдність протилежностей: стійкість, гомеостаз, з одного боку, і розвиток, необоротне зміна - з іншого. Порушення сталого розвитку означає наступ екологічної кризи або катастрофи. В останні 30 тис. Років екологічні кризи неодноразово відбувалися з вини людини. Причини та шляхи подолання антропогенних криз ми розглянемо в розділі 8.

 * * *

Підіб'ємо загальний підсумок проблеми саморегуляції та сталого розвитку.

Саморегуляція і підтримання гомеостазу- обов'язкове властивість живих систем будь-якого рівня складності. Регулюється і підтримується відносна сталість фізико-хімічних параметрів клітини. Зберігається в межах фізіологічної норми стан тканин і органів багатоклітинного організму. Відтворюються склад і чисельність живих спільнот в біоценозах. В основі підтримки гомеостазу лежить універсальний принцип негативного зворотного зв'язку.

При надлишкових (критичних, але не катастрофічні) впливах зовнішніх факторів на систему механізми її саморегуляції доповнюються адаптивними перебудовами, відбувається гомеокінез - перехід до досягнення нового рівня гомеостазу. Навіть в нормальних умовах живі системи змінюються направлено і необоротно в ході індивідуального та історичного розвитку, реалізуючи генетичні та епігенетичні "установки", використовуючи механізми самоорганізації. За своєю сутністю розвиток - Процес, протилежний саморегуляції, так як він відбувається на основі позитивних зворотних зв'язків. Стійкість, незмінність біосистем, з одного боку, і їх поступову зміну, розвиток - з іншого, представляють діалектичну єдність протилежностей, що виражається поняттям сталий розвиток. При природному і збалансованому перебігу цих процесів клітини нормально функціонують протягом усього життя організму, людина в здоров'ї і розумі доживає до 100 років, біосфера Землі зберігає перспективу життєздатності на мільйони років.

Разом з тим клітини не тільки діляться, розвиваються і працюють, але в підсумку вони і вмирають. Організми теж старіють і вмирають. Біоценози руйнуються і піддаються Сукцесія, а в підсумку загинуть внаслідок охолодження Землі і Сонця. Ці зміни зазвичай відбуваються в низці криз и катастроф. Вони неминучі, як неминуча еволюція Всесвіту.

Зрозуміло, що продовжити життя людини або біоценозу, як і всієї біосфери, можна в формі сталого розвитку, За рахунок максимально можливого продовження гомеостатических станів і надійності гомеокінетіческіх механізмів. Для цього необхідні не тільки досконалі механізми саморегуляції систем, але і відносно стабільні умови зовнішнього середовища. Певною мірою ці умови підконтрольні людині, а значить, і його майбутнє знаходиться в його власних руках.


 




Аутотрофний і гетеротрофні організми. Запасання і використання енергії в клітині | Трансформація речовин і енергії в харчових ланцюгах | Проблема спадковості і розвитку в науці | Навіщо і про що потрібна генетична інформація | Генетичний код і біосинтез білків | Реплікація ДНК і розмноження клітин | Статеве розмноження організмів | Безстатеве розмноження організмів. клонування | розвиток організму | Гомеостаз і гомеокінез |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати