Кибернетическая природа экосистем
Стабильность экосистем
Круговорот серы. Проблема кислотных осадков
Круговорот серы в природе сложен и до конца не ясен. Сера распространена в природе в виде множества неорганических соединений. (Известно более 200 серосодержащих минералов). Сера участвует также и в биотическом круговороте: она входит в состав некоторых аминокислот, а также участвует в биохимических процессах образования белков.
В атмосферном воздухе сера присутствуете основном, в виде трех соединений - газообразных оксида серы (1У), сероводорода и аэрозолей сульфатов. Природным источником серы в атмосферном воздухе является сероводород. Среднее время жизни Н2S в атмосфере ~ 2 суток. Он быстро окисляется до SO2.
Антропогенный источник SO2 - сжигание топлива, т. к. ископаемое топливо содержит значительное количество серы почти до 4%. В атмосферном воздухе SO2 приводит к образованию аэрозолей и "кислых" дождей. Время жизни SO2 в атмосфере ~ 4 сут.
Существует и природный загрязнитель атмосферного воздуха соединениями серы (SO2, Н2S, сульфаты) - это вулканическая деятельность. При извержениях вулканов эти соединения попадают в нижние слои атмосферы - тропосферу.
Диоксид серы - газ, вредный для здоровья людей, страдающих заболеваниями дыхательных путей. Доказана прямая зависимость частоты заболеваний бронхитом от концентрации SO2 в воздухе:
у = 14,5х - 1,3,
где у - процент заболевших бронхитом;
х - концентрация SO2 в воздухе, мг/м3. Примеры: При х = 1,0 мг/м3 число заболевших бронхитом составит 13,2%,
при х=5 мг/м3 - у = 71,2%
при х=6,8 мг/м3 - все население заболеет бронхитом. Эти прогнозы подтверждаются исследованиями, проведенными в Европе. В атмосферном воздухе SO2 окисляется до SO3. Газообразный SO3 растворяется в каплях влаги с образованием серной кислоты
SO3(г)+ Н2O(ж) —> H2SO4(ж)
Это приводит к выпадению кислотных осадков, что губительно влияет на живые организмы в природе: в водоемах гибнут рыбы и другие организмы.
Кислотные осадки изменяют структуру и состав почв, приводят к гибели растений. Особенно страдают хвойные деревья.
И, наконец, кислотные осадки приводят к разрушению и творения человеческих рук. Под влиянием кислоты разрушаются здания, архитектурные и другие памятники, под действием кислотных дождей ускоряется коррозия металлических конструкций.
Рассмотрим более подробно природу устойчивости и саморегуляции экосистем с точки зрения кибернетики.
Экосистемы характеризуются развитыми информационными сетями, которые состоят из потоков физических и химических сигналов, связывающих все части экосистемы, и управляют ею. Здесь проявляется еще одно отличие природных экосистем от искусственных автоматических систем. Для любой кибернетической системы характерно наличие обратной связи. В кибернетической системе точка регуляции - это управляющий элемент, на который поступает сигнал обратной связи. В искусственных кибернетических устройствах этот элемент находится в какой-то определенной точке системы, на который поступает сигнал обратной связи. В природных экосистемах управляющие элементы рассеяны внутри системы и основаны на взаимодействии потоков энергии, круговорота веществ и сигналов обратной связи. Таким образом, происходит саморегуляция экосистемы.
Принцип обратной связи обеспечивает стабильность экосистем. Стабильность не означает неподвижность, статичность. Экосистемы являются динамичными системами, их состояние определяется как состояние гомеостаза – равновесного (стабильного) состояния в определенных пределах.
Стабильность природных экосистем может обеспечиваться и без обратной связи. Это возможно за счет избыточности функций отдельных компонентов экосистемы, т.е. в случае необходимости один компонент может заменять другой , обладающий похожими функциями, и создавать другие пути для потоков энергии и вещества..
Степень стабильности экосистемы обычно определяется двумя факторами: Жесткостью окружающей среды (сопротивление окружающей среды) и эффективностью внутренних управляющих механизмов. Различают два типа стабильности экосистем: резисторную и упругую.
Резисторной – характерна способность сопротивляться возмущению, разрушающему действию окружающей среды, сохраняя при этом и структуру и функции экосистем. Упругая – теряет свою структуру и свойства под действием возмущения, но обладает способностью быстро восстанавливаться
Примером резисторной стабильности может служить стабильность леса состоящего из крупных пород деревьев (например: секвойи), успешно сопротивляющихся действию огня (лесной пожар). Примером упругой стабильности - стабильность кустарникового леса, легко сгорающего и также быстро восстанавливающегося.
В случае превышения допустимого количественного порога воздействия может возникнуть ситуация, когда система «ставится перед выбором» - либо распасться от невозможности вернуться к исходному состоянию динамического равновесия либо перестроится и образовать некую новую сложную структуру. Эта переломная точка существования системы носит название точки бифуркации. Вмешательство человека в природу можно рассматривать как гигантское воздействие, которое при превышении емкости среды может привести к необратимым последствиям для всей цивилизации.
Изменение экосистем. Сукцессия
Природнык системы представляют собой термодинамические системы, находящиеся в состоянии динамического равновесия, т. е. Подвижно-стабильного равновесия.
В тоже время они испытывают медленные постоянные изменения во времени, имеющие последовательный характер. Эти изменения прежде всего биоты, т. е. Сообщества, входящего в состав экосистем. Такое последовательное изменение биоты в экосистеме называется сукцессией ( от латинского слова «сукцедо2 – следую)
Пример : 1)Павшее дерево в лесу поледовательно осваивается грибами, бактериями, беспозвоночными животными.
2) заброшенная пашня:
трава- светолюбивые деревья и кустарники – быстрорастущие лиственные (осина и ольха) – хвойные (ель).
Сукцессии различают зоогенные (вызванные сильным воздействием животных), фитогенные (действие растений), антропогенные ( под воздействием хозяйственной деятельности), катострофические ( пожар, буря, и т. д.)
Сукцессия – это не только изменение биоты, но целостный и необратимый процесс изменения всех абиотических факторов
Первичная сукцессия - процесс развития и смены экосистем на незаселенных ранее участках. Классический пример – постепенное обрастание голой скалы.
Вначале поселяется мох, прорастающий в мелких трещинах голой скалы.Мох собирает влагу и пылинки, приносимые ветром – постепенно накапливается почва.
Далее – поселяются семенные растения, которые продолжают процесс создания почвы, разрушая скалу корнями. Далее – поселяются кустарники и деревья.
Вторичная сукцессия – восстановление экосистемы, когда-то уже существовавшей на данной территории.
Пример: превращение заброшенных полей в широколиственные или смешанные леса в следующей последовательности: злаковые (росичка и высокие злаки) – светолюбивые деревья (сосна )– лиственные заглушают сосну.