Лекция 3_Саморегуляция и стабильность экосистем

1.

Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
кафедра водопользования и экологии
ЭКОЛОГИЯ
Лекция 3
Саморегуляция и
стабильность экосистем
Макарова Светлана Витальевна
к.б.н., доцент

2. Свойства экосистем

Свойства биосистем можно разделить на две группы:
совокупные и качественно новые
(эмерджентные) свойства
Совокупные свойства складываются из свойств
отдельных подсистем, входящих в систему,
представляют собой сумму свойств отдельных
компонентов
Эмерджентные свойства являются следствием
иерархической организации живой материи и не
сводятся к сумме свойств отдельных компонентов
системы
2

3.

Часть 1
САМОРЕГУЛЯЦИЯ В
ЭКОСИСТЕМАХ
3

4. 1. Прямые и обратные связи

Саморегуляция – способность биосистем
поддерживать свою структуру и функции в
изменяющихся условиях среды
Все биосистемы, в том числе организмы, популяции и
экосистемы имеют кибернетическую природу
Физические и химические сигналы формируют
информационные сети
Управление основано на обратных связях
4

5.

Прямая связь:
А
В
при изменении параметра А, меняется параметр В
В, зависимая переменная
А, независимая переменная

6.

Обратная связь:
А
В
При изменении параметра А происходит изменение
параметра В, что в свою очередь приводит к
изменению параметра А

7.

Управляющие механизмы, основанные на обратной связи
(по Ю.Одуму,1986, с изменениями)
7

8.

Обратные связи бывают двух типов:
Положительная обратная связь – усиливает
однонаправленные изменения в системе
дополнительной информацией, поступающей с
выхода на вход
Отрицательная обратная связь - уменьшает
действие входного сигнала на систему
В процессах саморегуляции оба типа связи действуют
совместно
8

9.

Положительная обратная связь:
А
+
+
В
При увеличении параметра А происходит
увеличение параметра В, что в свою очередь
приводит к увеличению параметра А и т.д.
Обратная положительная связь (при отсутствии
ограничений) ведет систему к изменению, все дальше и
дальше от исходного состояния (саморазгоняющаяся связь)

10.

Пример положительной обратной связи: Начальные
этапы роста популяции при захвате новых территорий
(экспансия)
Чем больше численность тем выше рождаемость
тем больше численность ….
Численность
популяции
Рождаемость

11. Отрицательная обратная связь:

А
–
В
При увеличении А происходит уменьшение В, приводящее
к снижению увеличения и последующей полной остановке
роста А.
Отрицательные обратные связи определяют возможность
стабилизации и равновесного состояния системы

12.

Гомеостаз – это равновесное состояние
биосистемы.
Гомеостаз - способность биосистем, в том
числе популяционных и экологических,
поддерживать устойчивое динамическое
равновесие в изменяющихся условиях
среды с помощью обратных связей
12

13. 2. Саморегуляция на уровне организма

Саморегуляция на уровне организма обеспечивается
специализированными структурами (рецепторы,
проводящие пути, регуляторные центры и др.)
Сигнал
Рецептор
Анализатор
Преобразователь
13

14. 3. Саморегуляция в популяциях и экосистемах

Саморегуляция в популяциях и экосистемах осуществляется
при помощи обратных связей без регуляции из «постоянной
точки»:
• Пищевые взаимоотношения
• Физиологическое влияние «перенаселенности»:
- снижение рождаемости (принцип Олли),
- самоизреживание растений
• Скорость минерализации веществ редуцентами и
включения их в круговорот и т.д.
14

15.

Гомеостаз популяции, регулируемый доступностью пищи
15

16.

Самоизреживание древесных насаждений
(сокращение количества деревьев с возрастом: 1-сосны, 2-березы, 3- ели,
по Г.Ф.Морозову, 1928)
16

17.

Часть 2
СТАБИЛЬНОСТЬ
ЭКОСИСТЕМ И БИОСФЕРЫ
17

18. 1. Устойчивость экосистем к внешним воздействиям

Стабильность экосистемы – способность возвращаться в
исходное состояние после того, как она была выведена из
состояния равновесия
Стабильность определяется устойчивостью к внешним
воздействиям:
Резистентная устойчивость – способность экосистемы
сопротивляться нарушениям, но после воздействия не
восстанавливается, или восстанавливается медленно
Упругая устойчивость – экосистема легко поддается
воздействиям, но быстро восстанавливается
18

19.

Резистентная и упругая устойчивость
(по Ю.Одуму, 1986, с изменениями)
19

20.

Устойчивость экосистем к пожарам:
Степи – упругая устойчивость
Лес – резистентная устойчивость
20

21.

Упругая устойчивость заросли вереска
Резистентная устойчивость секвойя
21

22. 2. Биоразнообразие

Биоразнообразие – фактор обеспечения равновесия и
стабильности экосистем в биосферы в целом:
Генетическое разнообразие – многообразие генотипов у
особей одного вида. Повышает устойчивость популяций и их
приспособляемость к изменению среды.
Видовое разнообразие – многообразие видов внутри
биоценоза. «Избыточность» видов, принадлежащих к одной
функциональной группе повышает стабильность и
уменьшает риск нарушения процессов саморегуляции
22

23.

Взаимодействие организмов в экосистеме
А – автотрофы, Г-гетеротрофы, З – запасы питательных веществ
23

24.

https://www.ipbes.net/news/Media-Release-Global-Assessment
24

25.

25

26. 3. Постоянство состава атмосферы

Поддержание стабильного состава атмосферы
обеспечивается:
- процессом фотосинтеза; преобладанием скорости
автотрофных процессов над скоростью гетеротрофных
n CO2 + n H2O = (CH2O)n + n O2
- буферной карбонатной системой океана, связывающей
углекислый газ
CO2 + CaCO3 + H2O = Ca(HCO3)2
26

27.

Атмосфера, океан и
растительность выполняют
роль накопителей и
регенераторов отходов
Сравнительные объемы
атмосферы и океана,
приходящиеся
на 1 кв.м суши
(по Ю. Одуму, 1986)
27

28. 4. Круговороты веществ

Большой (геологический) – перенос веществ, в основном
минеральных соединений, из одного места в другое в
масштабах планеты
Около 30% солнечной энергии тратится на перемещение воздушных
масс, испарение воды, растворение минералов и т.д. Это приводит к
эрозии почв, горных пород, транспорту и перераспределению
механических и химических осадков.
Малый (биотический) – в основе лежат процессы
образования и разложения органических соединений.
На это затрачивается около 1% солнечной энергии. Выделяют:
локальные биотические круговороты, биогеохимические циклы
материков и океанов , общепланетарный биогеохимический
круговорот

29.

Биогеохимические циклы – более или менее замкнутые
пути движения химических элементов в живых организмах,
горных породах, воде и воздухе являются основой
самоподдержания жизни на Земле
Выделяют 2 типа циклов: газообразные (циклы азота,
углерода) – с резервным фондом в атмосфере и осадочные
(фосфор) – с резервным фондом в земной коре
Резервный фонд – большая небиологическая часть
медленно движущихся веществ («запасы веществ»).
Обменный фонд – меньшая, но подвижная часть веществ,
циркулирующая между организмами и средой
29

30.

Биогеохимические циклы
Энергия
Вещества
Пв, Пч, Пвт – валовая, чистая и
вторичная продукция
30

31.

4.1. Круговорот воды
31

32.

Влияние человека
Перераспределение
(уменьшаются запасы
подземных вод, увеличивается
сток в океан, создаются
водохранилища и др.)
Уничтожение лесов –
уменьшение транспирации,
изменение климата,
иссушение почв,
опустынивание
Загрязнение
Количество воды на земле постоянно, но ее качество –
исчерпаемый ресурс
https://socratic.org

33. 4.2. Круговорот углерода

Газообразный цикл. Основан на потреблении СО2 из атмосферы и
поступлении его в воздух

34.

Потребление СО2 из атмосферы
Поступление СО2 в атмосферу
Фотосинтез
Дыхание всех организмов
CO2+H2O = CH2O+O2
Реакция с карбонатами в океане
СO2 + H2O + CaCO3 = Ca(HCO3)2
При выветривании горных пород
Минерализация органических
веществ
Выделение из осадочных пород
по трещинам земной коры
Извержении вулканов (0.01%)
Лесные пожары
Сжигание ископаемого топлива,
окисление гумуса при вспашке
полей

35.

В настоящее время концентрация СО2 возросла (с 0.03 до 0.038%)
В связи с этим наблюдается
снижение рН вод мирового
океана (ацидификация)
За последние 150 лет среднее
значение pH понизилось на
0,1.
Подкисление морской воды
ухудшает условия
существования организмов,
образующих известковые
раковины (например у
моллюсков)
https://www.pmel.noaa.gov/co2/files/co2_time_series_03-082017.jpg

36. 4.3. Круговорот азота

В атмосферном воздухе содержится 79% молекулярного азота,
содержание его не меняется

37.

Потребление азота:
В процессе биологической
фиксации микроорганизмами
Превращение в NОx и NHз при
грозовых разрядах
В процессе промышленного
синтеза аммиака
Потребление растениями
минеральных форм азота из
почв и воды
Поступление в атмосферу:
В процессе денитрификации
(деятельность микроорганизмов)
С вулканическими газами
При сжигании топлива (в виде
оксидов)
Поступление в водоемы:
С дренажным стоком с природных
и сельскохозяйственных
территорий
Со сточными водами

38. 4.4. Круговорот фосфора

Круговорот фосфора является примером осадочного цикла

39.

Резервный фонд фосфора находится в горных породах
(фосфориты, апатиты). Циркуляция легко нарушается,
круговорот не замкнут
Потребление:
Поступление:
Растениями и животными для
построения нуклеиновых
кислот, АТФ, фосфолипидов и
др.)
В промышленном производстве
удобрений, моющих средств
В процессе эрозии фосфатных
пород
При минерализации
органических веществ
При использовании удобрений
и сбросе сточных вод в
водоемы

40.

Антропогенное эвтрофирование водоемов
Поступление
избыточного
количества азота и фосфора в
водные объекты (со сточными
водами и при смыве удобрений
с полей) приводит к повышению
их
продуктивности
–
антропогенному эвтрофированию.
В
эвтрофных
водоемах
наблюдается цветение воды –
интенсивное
развитие
фитопланктона, в основном
цианобактерий (Cyanobacteria)

41. 4.5. Круговороты второстепенных элементов

Круговорот ртути. Числа в прямоугольниках – запас, сотни тонн; на стрелках –
потоки, сотни тонн/год (в скобках – естественный фон, до начала использования ртути
человеком)

42.

42

43. Заключение

• Человеческая деятельность опирается на положительные
обратные связи, что приводит к нарушению процессов
саморегуляции в экосистемах, загрязнению окружающей
среды, истощению ресурсов, деградации природной среды
• Нужно использовать механизмы управления,
опирающиеся на обратные отрицательные связи
Способность экосистем и биосферы к саморегуляции и
поддержанию стабильности не безгранична!
Поэтому необходимо разрабатывать и соблюдать
нормативы допустимых антропогенных воздействий на
природную среду
43

44.

Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
кафедра водопользования и экологии
Автор
Макарова Светлана Витальевна
[email protected]