Саморегуляция экосистемы

Саморегуляция экосистемы — это способность сообщества организмов и среды совместно поддерживать относительное равновесие: численность видов колеблется около обычных значений, а вещества и энергия постоянно переходят между компонентами экосистемы. Равновесие не означает неподвижность: оно сохраняется благодаря обратным связям.

Понятие саморегуляции

Экосистема включает живые организмы и факторы неживой природы. Растения, животные, грибы и микроорганизмы связаны пищевыми отношениями, конкуренцией и круговоротом веществ. Если численность одного вида изменяется, это обычно вызывает цепь последствий для других видов.

Основой саморегуляции служат отрицательные обратные связи. Их действие направлено против первоначального изменения. Например, увеличение численности зайцев приводит к усилению поедания растений. Корма становится меньше, возрастает конкуренция, а хищникам легче находить добычу. В результате рождаемость зайцев снижается, смертность увеличивается, и их численность возвращается ближе к прежнему уровню.

Механизмы поддержания равновесия

Саморегуляция проявляется через несколько взаимосвязанных механизмов.

• Ограниченность ресурсов. Недостаток пищи, воды, света или места усиливает конкуренцию и ограничивает рост численности.
• Пищевые связи. Рост численности жертвы улучшает питание хищника. Численность хищника увеличивается, давление на жертву усиливается, и численность жертвы снижается.
• Конкуренция. Организмы одного или разных видов используют общие ресурсы. При высокой плотности популяции конкуренция становится сильнее.
• Болезни и паразиты. При скученном содержании возбудители быстрее распространяются, поэтому рост численности хозяина замедляется.
• Разложение и круговорот веществ. Редуценты разлагают органические остатки, возвращая минеральные вещества в почву и воду. Это поддерживает питание растений, но избыток органики может нарушить равновесие водоёма.

Регуляция зависит от плотности популяции. При низкой плотности пищевых ресурсов на особь больше, болезни распространяются хуже, поэтому численность может увеличиваться. При высокой плотности действуют ограничения. Подробно эту зависимость рассматривает регуляция численности популяции.

В формуле (1) \(N\) — численность популяции, \(B\) — рождаемость, \(D\) — смертность, \(I\) — иммиграция, то есть вселение особей, \(E\) — эмиграция, то есть выселение. Если \(\Delta N>0\), численность растёт; если \(\Delta N<0\), уменьшается; если \(\Delta N=0\), она сохраняется на данном уровне.

Ёмкость среды и колебания численности

В любой среде есть предел численности популяции, который определяется количеством ресурсов и условиями жизни. Этот предел называют ёмкостью среды. Она не является постоянным числом: зимой и летом, в засуху и дождливый год, после пожара или вырубки ёмкость среды может изменяться.

Формула (2) описывает логистический рост. Здесь \(r\) — потенциальная скорость роста, \(N\) — текущая численность, \(K\) — ёмкость среды. При \(N\ll K\) популяция растёт быстро, а при приближении к \(K\) рост замедляется. На практике численность обычно колеблется около \(K\), а не совпадает с ним постоянно.

Потоки веществ в экосистеме

Вещество в экосистеме не исчезает, а переходит из одной формы в другую. Производители создают органические вещества из неорганических. Консументы получают их с пищей, а редуценты разлагают остатки и возвращают минеральные соединения в почву или воду.

Энергия, в отличие от вещества, движется через экосистему в одном направлении: от Солнца к производителям, затем к консументам и редуцентам. На каждом трофическом уровне часть энергии рассеивается в виде тепла. Поэтому устойчивость потоков зависит от численности и состояния всех звеньев пищевой сети. В правиле десяти процентов отражено, что к следующему трофическому уровню в среднем переходит лишь небольшая часть энергии.

Разнообразные пищевые сети повышают устойчивость. Если один вид пищи исчезает, консумент иногда переключается на другой. Если один хищник сокращается, его функцию частично могут выполнять другие хищники. Однако чрезмерное упрощение сообщества делает связи более уязвимыми.

Это пример отрицательной обратной связи: первоначальный рост численности вызывает процессы, которые затем ограничивают дальнейший рост. При этом равновесие может установиться на новом уровне, если изменилась погода, кормовая база или численность хищников.

Пределы саморегуляции

Саморегуляция не защищает экосистему от любых воздействий. Умеренная засуха может быть компенсирована изменением численности и поведения организмов, но длительная засуха способна уничтожить растения и нарушить пищевую сеть. К опасным воздействиям относятся загрязнение, разрушение местообитаний, чрезмерный промысел, занос чужеродных видов и резкое изменение климата.

Экологическое равновесие нарушается, когда скорость изменения среды превышает способность организмов приспосабливаться, а внутренние связи уже не могут компенсировать потери. Восстановление иногда происходит естественно, но после сильного нарушения может потребоваться помощь человека.