Raft Master » Научная библиотека » Биоэкология » Образы кольцевых биосферных потоков


  • 5-01-2013, 06:04
  • | Views: 3558


Образы кольцевых биосферных потоков

Образы кольцевых биосферных потоков

  • Поточная конструкция телевизора и биосферы

Биосфера - это самая крупная и сложно устроенная биокосная система на Земле. Она существует уже миллиарды лет, будучи «построена» из множества элементов, подсистем разного уровня организации, (биоорганических молекул, клеток, организмов, популяций, ..., экосистем). Каждый вышеназванный элемент имеет значительно меньшую продолжительность жизни и уровень надежности, чем биосфера. У каждого из них в процессе «жизни» накапливаются ошибки, которые ведут к их распаду, что, однако, не ведет гибели биосферы и ее базовых блоков разного уровня.

Почему такое возможно? Объясняется это особенностью конструкции биосферы**. Она построена на «проточных» элементах, которые встроены в кольцевые потоки разного размера и сложности, а те, в свою очередь, организуются в общий биосферный кольцевой поток веществ. Биосфера представляет собой иерархическую систему колоссального множества кольцевых поточных подсистем с разной степенью замкнутости.

Чтобы разобраться, как работает принцип иерархии и поточной замены блоков, продемонстрируем его на примере домашнего телевизора (рис. 7.1). Телевизор состоит из множества деталей, каждая из которых выполняет определенную функцию. Он работает в том случае, если все они исправны. В случае отказа какой-либо детали, она в процессе ремонта изымается и выбрасывается, а на её место ставится новая с аналогичными характеристиками, и телевизор продолжает исправно работать. В этом случае детали проходят путь: производитель деталей - магазин - телевизор - мусорное ведро (направленный поток деталей, рис. 7.1 а). Однако такая конструкция порождает проблему ресурса. Как только иссякнет запас деталей, прекратится их направленный поток. Прекратится и «жизнь» телевизора, останется только большая груда неисправных деталей и не работающий телевизор (рис. 7.1 б). В этой ситуации выход один: детали, вышедшие из строя, разобрать до исходных материалов, а из них собрать новые и вернуть их в телевизор, т.е. организовать циклический поток деталей и их исходных материалов (рис. 7.1 в).

Можно предположить, что если скорость «сборки» новых деталей будет равняться скорости «разборки» вышедших из строя, то в этом случае «жизнь» телевизора может продолжаться достаточно долго. Это важное, но недостаточное условие. Реально «сборка» и «разборка» не могут идти без потерь - следовательно, потери должны компенсироваться извне. Например, в рамках отдельной мастерской нельзя осуществить полную «разборку» и «сборку» всех видов деталей: недостающие детали, поступают из фабрик производителя. Чем лучше мастерская справляется со своими обязанностями, т.е. чем меньше потерь, тем меньше необходимо поступлений извне, а это значит, мастерская (как и наша биосфера) меньше зависит от внешних источников. Как сказали бы профессионалы, система имеет относительно замкнутый обмен веществ и чем сложнее устроен уровень биологической организации, тем он более замкнут.

Как следует из схемы (рис. 7.1), а жизнь ее подтверждает, открытые системы существуют («живут») только в потоке веществ. Чтобы поток существовал постоянно (бесконечно долго), необходим неограниченный ресурс вещества, что даже в масштабах Земли невозможно. Рано или поздно любой ресурс в условиях ограниченного пространства исчерпается. За счет постоянно идущих процессов «сборки» и «разборки» (синтеза и разложения) осуществляется циклический поток веществ, и, тем самым, решается проблема ограниченности ресурса. Неизбежные в таких случаях потери веществ компенсируются поступлением их из соседних систем или систем других уровней организации.

Как на разных примерах было показано в предыдущих лекциях, биосфера состоит из громадного множества ограниченных, структурированных пространств разного размера, в каждом из которых имеется столь же ограниченное количество ресурсов (фондов веществ), которое постоянно поддерживается за счет разномасштабных круговоротов веществ, объединяющихся в общий биосферный круговорот.

Отдельная клетка, свободно живущая или находящаяся в составе организма, отдельный многоклеточный организм, крона дерева, отдельно лес и водоем со всеми их обитателями - это примеры структурированных пространств разного размера, заполненные биоорганическими и минеральными веществами, и, одновременно, это биокосные системы разного уровня организации и происхождения. Все это поточные подсистемы биосферы.

Неорганические вещества - это все неорганические вещества биосферы, вовлекаемые в биотический круговорот. И в первую очередь это кислород, вода, соединения углерода, азота, фосфора и других элементов.

Любая биокосная система и круговорот веществ в ней могут быть описаны параметрически. На рис. 7.3 представлены модели двух биокосных систем обменивающихся между собой веществом. Каждый объект характеризуется общим запасом органического (Wo, т) и неорганического (Wh, т) вещества в ней. Скоростями синтеза («сборки») (J0 = dWo/dT, т/год) и разложения («разборки») (JH = dWH/dT) органического вещества в границах системы. В последнем случае - Jh характеризует и скорость образования неорганических веществ из органических. Каждая из систем также характеризуется скоростями поступления (Jx) и выведения (JY) веществ в неё и за ее пределы. Если мы разделим величину всего запаса органического вещества в системе на скорость его образования или на скорость его разложения то получим время биологического оборота биогенного запаса системы (W0/J0= t, год). Это значит, что в отсутствии процесса разложения весь неорганический углерод за время t переедет в органический и наоборот в отсутствии процесса синтеза за это же время весь органический углерод минерализируется. Важной характеристикой любого круговорота веществ является его замкнутость (замкнутость потока) которая оценивается коэффициентом замкнутости (К3). Это оценка потерь вещества (JY = J0 - Jh) по отношению к другим характеристикам потока (цикла веществ), например к скорости синтеза (JQ). Существуют различные способы его расчета, в нашем случае: К3 = (JD -Jh)/J0- В этом случае, чем значения К3 меньше единицы, тем меньше величина потерь веществ из системы по отношению внутреннему потоку, а это значит, что система имеет более замкнутый обмен веществ.




  • Вернуться



  • Еще по теме


    Типизация и формализация иерархически соподчиненных объектов


    Кольцевые потоки на молекулярно-клеточном уровне


    Кольцевые потоки в экосистемах


    Замкнутость круговорота углерода в биосфере


    Косные и живые тела в потоках воды и воздуха

     

    Последние новости



    Пользовательский поиск

    Партнеры