Положительная и отрицательная обратная связь в природных экосистемах

Среди форм отношений между элементами различных систем в живой природе и в человеческом обществе одно из главных мест занимают парные взаимодействия, которые обобщенно могут быть обозначены как «ресурс-потребитель ресурса». Взаимодействия в каждой из таких пар можно представить в виде контура обратных связей. В качестве примера действия обратной связи рассмотрим взаимозависимость следующих явлений. Корни многих бобовых растений образуют симбиоз с клубеньковыми бактериями, которые снабжают растения нитратами. Это повышает продуктивность растения, увеличивают количество углеводов, потребляемых клубеньковыми бактериями, а это в свою очередь способствует усилению фиксации азота.

При повышении вулканической деятельности в атмосферу Земли поступают дополнительные количества СО₂, что может привести к росту его содержания. Однако это усиливает фотосинтетическую активность растений, что в свою очередь вызывает повышенное потребление растениями СО₂, а это способствует снижению его содержания в атмосфере. В кибернетике обратную связь определяют как возвращение части сигнала с выхода системы на ее вход. В первом случае обратная связь усиливает действие входного сигнала, (продуктивность растения увеличивается вместе с ростом азотфиксирующей способности бактерий). Такую обратную связь называют положительной. Такие связи не только не способствуют регуляции, а наоборот, генерируют дестабилизацию систем, приводя их либо к угнетению и гибели, либо к ускоряющемуся росту, за которым, как правило, также следует срыв и разрушение системы. Во втором случае взаимосвязь явлений «гасит», нейтрализует внешнее воздействие. Это отрицательная обратная связь.

На принципе отрицательной обратной связи построены все механизмы регуляции физиологических функций в любом организме и поддержание постоянства внутренней среды, т.е. гомеостаза любой авторегуляторной системы. Все экологические системы включают контуры отрицательных обратных связей. Системы, контролируемые внутренней обратной связью, обладают определенной независимостью поведения, проявляющиеся в их способности к саморазвитию и устойчивости.

Выделяют два типа простейших контуров обратной связи: усилитель сигнала и регулятор сигнала.

Регулятор сигнала – контур с отрицательной обратной связью. Этот механизм обеспечивает стабилизацию состояния системы, возмущаемой внешним воздействием. Примером действия отрицательной обратной связи в биоценозах может служить взаимодействие в системе «хищник-жертва». Рост численности популяции жертвы, обусловленный благоприятными внешними условиями вызывает рост численности популяции хищников, что в свою очередь, снижает численность жертвы, (контур работает по принципу «чем больше, тем меньше»). В целом такой контур имеет отрицательный знак. Это значит, что система авторегуляторна и может сама себя поддержать в рамках определенного уровня соотношения численностей.

Усилитель сигнала - контур с положительной обратной связью. Этот механизм обеспечивает экстенсивное развитие системы, т.к. приводит к еще большему отклонению состояния, чем - то, которое вызвало бы внешнее воздействие (входной сигнал) при отсутствии обратной связи. Действие положительной обратной связи можно рассматривать как процесс автостимуляции (самоускорения) системы, когда она на всякий внешний толчок реагирует возрастающим удалением от исходного состояния. Остановить ее в этом движении может только истощение ресурсов, необходимых для экстенсивного развития. Особенностью механизма «усилитель сигнала» является то, что при внешнем воздействии достаточной интенсивности вектор движения системы меняется на обратный. В сложных системах всегда сочетаются контуры обоих знаков.

Самостоятельная работа № 4