Отрицательные обратные связи в экосистемах кратко
Обновлено: 05.07.2024
Все компоненты экосистемы находятся в постоянном взаимодействии между собой, образуя круговорот. Обмен между компонентами экосистемы и с ОС можно рассматривать как процесс передачи энергетической, химической, генетической информации.
Устойчивость экосистем и сбалансированность биологического круговорота веществ обеспечивается механизмами обратной связи.
Обратная информационная связь – это получение сигнала, вызывающего определенные изменения в системе. Существует два типа обратной информационной связи: отрицательная и положительная.
Рассмотрим участок трофической цепи:
Консумент 1 порядка (заяц) – консумент 2 порядка (волк)
Если численность жертвы, по каким-либо причинам возрастает, то хищник также имеет возможность увеличения численности. В этом проявляется свойство положительной обратной связи, которая стремится вывести систему из состояния равновесия.
Так как хищник ест жертву, то ее численность уменьшается. В этом проявляется действие отрицательной обратной связи, которая возвращает систему в равновесное состояние.
В каналах передачи информации могут возникать помехи. Роль этих помех играют биотические, абиотические и антропогенные факторы. Если при определенном уровне помех информационная обеспеченность экосистемы за счет действия отрицательной обратной связи не сможет компенсировать отклонения, вызванные положительной обратной связью, экосистема гибнет.
Стресс- это напряженное состояние экосистемы, испытывающей возмущающее воздействие необычных природных или антропогенных факторов. Он проявляется в изменении энергетических процессов, круговорота веществ и структуры экосистемы.
Ту область, в пределах которой механизмы ООС способны, не смотря на стрессовое воздействие, сохранять устойчивость экосистемы, хотя и в измененном виде, называют гомеостатическое плато.
Например, сточные воды после очистки поступают в водоем. Даже при высокой степени очистки, в воде остается некоторое допустимое количество химических веществ. Кислород, содержащийся в водоеме, начинает расходоваться на окисление этих веществ, следовательно, его будет недоставать организмам, входящим в трофические цепи водоема. Экосистема начинает изменяться, т.е. происходит сдвиг гомеостатического плата, что через некоторое время скажется на всей экосистеме в идее исчезновения некоторых видов организмов и возрастании плотности планктона.
Антропогенный стресс. Загрязнение ОС.
Любой вид стресса можно разделить на два вида:
- острый стресс, характеризуется внезапным началом, быстрым нарастанием интенсивности и небольшой продолжительностью разрушений;
- хронический стресс, характеризуется возмущениями невысокой интенсивности, длительными во времени или часто повторяющимися.
Природные экосистемы обладают значительной устойчивостью по отношению к острым стрессам и способностью восстанавливаться по окончании их воздействия.
Антропогенное воздействие на экосистемы – это, как правило, хронический стресс. Примером антропогенного стресса является загрязнение ОС.
Загрязнение ОС –это внесение в экосистему несвойственных ей компонентов или структурных изменений.
Загрязнение окружающей среды - поступление в окружающую среду вещества и (или) энергии, свойства, местоположение или количество которых оказывают негативное воздействие на окружающую среду.
Виды загрязнения.
1. Химическое загрязнение, которое подразделяется на естественное и антропогенное.
Примером естественного загрязнения, может быть извержение вулкана, в результате которого в атмосферу попадает большое количество химических соединений, которые разлагаются в ней до простых веществ, вовлекаемых в круговорот веществ.
При антропогенном загрязнении в атмосферу попадают вещества синтезированные человеком, аналогов которым в природе не существует (ксенобиотики).Ксенобиотики в природе не разлагаются или разлагаются очень медленно. Как, правило, все они являются канцерогенами- вещества способствующие возникновению злокачественных опухолей (например, диоксины).
2. Механическое загрязнение – засорение среды без физико-химических изменений.
3. Физическое загрязнение – изменение физических характеристик среды. Включает в себя:
- тепловое загрязнение – изменение температуры среды, связано с сжиганием огромного количества топлива
- акустическое (шумовое) загрязнение – это одна из форм физического загрязнения, адаптация к которому практически не возможна. Основные источники - технические устройства, транспорт. Человеческое ухо воспринимает звук с частотой от 16 до 20000 Гц, звук с частотой ниже 16 Гц называется инфразвук, выше 20000 Гц – ультразвук. Инфразвук и ультразвук человеком не чувствуются, но наносят вред его здоровью. Уровень звука измеряется в децибеллах (дБ).
- оптическое (световое) загрязнение – изменение оптических свойств среды;
- электромагнитное загрязнение - повышение уровня электромагнитных излучений, в результате работы различных приборов (телевизор, компьютер, мобильный телефон и т.д.). Наблюдается расстройство нервной системы, снижение свойств иммунной системы, функции щитовидной железы и т.д.
- радиоактивное загрязнение –изменение естественного радиационного фона. Главный источник атомные электростанции.
4. Биологическое загрязнение– проникновение в экосистему несвойственных (чуждых) ей биологических организмов (микробов, вирусов, растений, животных и т.д.).
5. Социально психологическое загрязнение- возникновение аномальных психологических полей, приводящих к массовым увлечениям, психозам, состоянию страха и т.д.)
Человек приспосабливается к изменениям ОС. Изменение физиологических и морфологических характеристик живого организма под влиянием факторов природной среды, называется биологическая адаптация.
В 1840 году немецкий химик Юстус фон Либих, выращивая растения на синтетических средах, обнаружил, что для нормального роста растения необходимо определенное число и количество химических элементов и соединений. Одни из них должны находится в среде в очень больших количествах, другие в малых, а третьи вообще в виде следов. И, что особенно важно: одни элементы не могут быть заменены другими. Среда, содержащая все элементы в изобилии, кроме одного, обеспечивает рост растения лишь до того момента, пока количество последнего не будет исчерпано. Рост ограничивается, таким образом, нехваткой единственного элемента, количество которого было ниже необходимого минимума. Этот закон, сформулированный Ю. Либихом применительно к роли химических эдафических факторов в жизни растений и названный им законом минимума, имеет, как выяснилось позже, универсальный экологический характер и играет важную роль в экологии
Примеры отрицательной обратной связи
Регулирование уровня сахара в крови
Каждый раз, когда вы едите, механизм отрицательной обратной связи контролирует уровень сахара в вашем кровь, Основной сахар в вашей крови – это глюкоза. После того как вы что-то съели, ваше тело поглощает глюкозу из крови и откладывает ее в кровь. Это увеличивает концентрацию глюкозы и стимулирует выработку поджелудочной железой химического вещества, называемого инсулином. Инсулин является клеточной сигнализацией молекула который говорит мускул а также печень клетки поглощать глюкозу. Клетки печени хранят избыток глюкозы в виде гликоген цепочка глюкоз, используемых в качестве продукта хранения. Мышечные клетки могут хранить глюкозу или использовать ее для выработки АТФ и сокращения. Когда этот процесс происходит, концентрации глюкозы в крови истощаются. Глюкоза была основным сигналом для поджелудочной железы для производства инсулина. Без этого поджелудочная железа перестает вырабатывать инсулин, а клетки перестают поглощать глюкозу. Таким образом, уровни глюкозы поддерживаются в определенном диапазоне, и остальная часть тела имеет постоянный доступ к глюкозе. Механизм отрицательной обратной связи в этой системе особенно проявляется в том, как высокие уровни глюкозы приводят к включению пути, что приводит к продукту, предназначенному для снижения уровня глюкозы. Когда уровень глюкозы становится слишком низким, путь прекращается.
Регулирование температуры
Заполнение унитаза
Многие студенты склонны бороться с абстрактными биологическими примерами негативных отзывов. Не бойся! Простой и обычный предмет домашнего обихода использует отрицательный отзыв каждый день. В баке на задней панели вашего туалета находится шар или поплавок, который лежит на уровне воды. Когда вы опорожняете бак, уровень воды падает. Давление от поплавка, который удерживал клапан, сбрасывается, и в бак поступает новая вода. Клапан, управляемый поплавком, подобен ферменту, который контролирует уровень продукта, который он создает. По мере того, как больше воды (продукта) заполняет резервуар, поплавок медленно уменьшает количество воды, пропускаемой через клапан. Клапан аналогичен ферменту, который регулируется обратной связью от продукта, который он помогает создать или впустить в клетка.
викторина
1. Что из следующего представляет отрицательный отзыв?A. Тромбоциты крови выделяют химические вещества, которые привлекают больше тромбоцитов крови, а затем заполняют рануB. Одна птица, спасающаяся от хищника, подстегивает трех птиц, что, в свою очередь, пугает всю стаюC. При производстве аминокислоты фермент, используемый клеткой, ингибируется после того, как аминокислота достигает определенной концентрации.
Ответ на вопрос № 1
С верно. Первые две системы представляют положительные отзывы. По мере того, как несколько человек начинают реагировать, гораздо больше поощряют реагировать. Эти системы приводят к реакциям, которые идут к завершению в одном направлении. Например, вся стая улетит или вся рана будет закрыта. В третьем случае продукт регулирует путь. Это означает, что элемент не будет расходовать слишком много энергии и будет производить именно то количество продукта, которое ему необходимо.
2. Пчелы интересным образом контролируют температуру своего улья. Когда температура становится слишком высокой, определенные пчелы посылают сигнал остальной части колонии, чтобы начать определенное поведение. Пчелы испаряют воду изо рта и размахивают крыльями, чтобы значительно снизить температуру. По мере охлаждения колония возобновляет свою нормальную деятельность. Какой из следующих терминов описывает этот сценарий?A. Положительный отзывB. Негативный отзывC. Ингибирование ферментов
Ответ на вопрос № 2
В верно. Это пример отрицательной обратной связи. Стимул вызывает у пчел реакцию, которая снижает стимул. В свою очередь, путь в конечном итоге перекрыт. Помните, что механизмы обратной связи могут быть частью систем всех размеров, от химических путей до деятельности целых групп организмов.
3. Вы забираетесь в горячую плиту, чтобы захватить свой обед. Ваш палец соскальзывает с горячей площадки и касается горячего горячего блюда в духовке. Сигнал отправляется на ваш головной мозг, который говорит вашей руке сжиматься. Когда ваш палец перестает гореть, ваша рука может расслабиться. Что представляет собой этот сценарий?A. Негативный отзывB. Положительный отзывC. Бой или Полет ответ
Ответ на вопрос № 3
верно. Снова, стимул, который вызвал реакцию, удален через процесс. Это отрицательный отзыв. Ответ может быть связан с боем или бегством, но помните, что даже эти процессы должны контролироваться той или иной формой обратной связи, иначе они будут продолжаться вечно. Механизм отрицательной обратной связи позволяет системе переустанавливаться после стимула, что на клеточном уровне позволяет подготовиться к реакции на другой стимул.
Жизнь основана на непрерывном изменении, в котором, тем не менее, сохраняются постоянными большинство важных свойств живых систем. Так, всего за год в теле каждого человека сменяется большинство атомов, а сам человек остается практически таким, как был. На протяжении столетий в лесу сменяются все населяющие его организмы, но важные свойства леса сохраняются постоянными. Какие свойства биосистем обеспечивают такую устойчивость в ходе изменений?
Для ответа на этот вопрос важны кибернетические (относящиеся к науке об управлении) понятия прямой и обратной связи. Прямая связь — это влияние какого-то фактора на изучаемую систему (пример: поворачивая руль, водитель изменяет направление движения автомобиля). Обратная связь — зависимость управляющего воздействия от состояния самой системы (пример: изменение движения автомобиля влияет на повороты руля водителем). Таким образом, обратная связь — это управление системой с учетом ее состояния, зависимость управляющего воздействия от его результатов (рис. 1.7.1, А).
Рис. 1.7.1. Пояснение понятия обратной связи. А. Прямая и обратная связи. Б. Пример обратной связи
Выделяют два типа обратных связей. Положительные обратные связи усиливают отклонение управляемой величины от исходного состояния, а отрицательные обратные связи возвращают систему в прежнее состояние. Иначе можно сказать, что положительные обратные связи — это взаимная стимуляция двух процессов, а обратные — подавление отклонений управляемого процесса.
Рассмотрим простейший пример: над жарко горящим костром кипит котелок с водой. Если огонь горит слишком сильно, часть воды выплескивается, частично заливает костер и уменьшает интенсивность горения. Когда огонь затухает, выплескивание прекращается, и огонь постепенно разгорается вновь. В данном примере отклонение управляемой величины (интенсивности горения) вызывает такое изменение действия управляющего фактора (выплескивания), которое оказывает на управляемую величину воздействие, противоположное (отрицательное по знаку) начальному отклонению. Значит, в данном случае мы имеем дело с отрицательной обратной связью.
А в каком случае в подобном примере обратная связь окажется положительной? Если в котелке вместо воды будет керосин! При этом чем ярче будет гореть костер, тем сильнее будет выплескиваться керосин, что будет еще более усиливать горение костра.
Существенно, что в примере с котелком положительные обратные связи быстро выведут систему из ее исходного состояния (котелок с керосином опустеет), а отрицательные (если в котелке — вода) приведут к сохранению ее свойств относительно постоянными. Отрицательные обратные связи стабилизируют систему, а положительные — переводят ее в иное состояние (т.е. разрушают прежнюю структуру взаимосвязей). Наличие альтернативных режимов функционирования биосистем определяется комбинациями двух типов обратных связей: отрицательные стабилизируют каждый режим, а положительные обеспечивают переключение между такими режимами.
Например, изменения в ходе онтогенеза управляются положительными обратными связями. Так происходит, к примеру, развитие влюбленности (переключение с одной поведенческой программы на другую): стимул вызывает интерес, интерес усиливает действие стимула. Интерес вызывает определенные действия, которые также приводят к возрастанию стимула и росту интереса и т.д. Процесс ухаживания и сближения достигает кульминации, после чего система переходит в иное состояние…
Биологические системы можно рассматривать как кибернетические, характеризующиеся упорядоченными внутренними взаимодействиями. В организмах управляющая система внутренняя и специализированная, в технических устройствах с отрицательной обратной связью (сервомеханизмах) — внешняя и специализированная, в экосистемах — внутренняя и неспециализированная (рис. 1.7.2). Типичной особенностью всех кибернетических систем является то, что низкоэнергетические процессы в них управляют высокоэнергетическими (движение руки на рубильнике останавливает завод). На организменном уровне существенные перестройки обмена веществ могут вызвать всего несколько молекул гормонов. В экосистемах наибольшее регулирующее воздействие на сообщество могут оказывать вершинные хищники, которые ответственны лишь за небольшую долю проходящего в экосистеме обмена веществ. Перепончатокрылые паразитоиды (см. пункт 4.06) трансформируют небольшую долю потока энергии, протекающего через биоценоз, но эффективно регулируют его чистую продукцию через растительноядных насекомых.
Рис. 1.7.2. Особенности отрицательных обратных связей в техническом устройстве (А.) и экосистеме (Б.)
Регуляция на различных уровнях биосистем часто осуществляется благодаря отрицательным обратным связям, что придает многим биосистемам сходные свойства. Приведем несколько примеров регуляции по принципу отрицательных обратных связей на разных уровнях биосистем.
Таблица 1.7.1. Примеры регуляции по принципу отрицательной обратной связи для разных уровней организации биосистем
Уровень
Пример регуляции по принципу отрицательной обратной связи
Читайте также: