Разнообразие обратных связей повышает устойчивость водных экосистем

Донные отложения водоемов содержат много детрита – мертвого органического вещества, временно выведенного из круговорота. На снимке: дно озера Гурон (фото с сайта http://www.ec.gc.ca)

Анализ математических моделей показывает, что детрит (мертвое органическое вещество) может выступать в качестве фактора, повышающего устойчивость водных экосистем – но только если структура детрита достаточно разнообразна. Детрит становится стабилизирующим фактором, если состоит из множества фракций, достаточно сильно различающихся по скорости возврата биогенных элементов в экологический круговорот.

В статье уточнена и обоснована гипотеза американского эколога Саундерса о возможной стабилизирующей роли детрита в водных экологических системах. Саундерс предположил, что при больших концентрациях органических веществ (то есть детрита) и медленном их включении в биотический круговорот происходит забуферивание колебательных процессов, возникающих в водных биоценозах

Отправной точкой исследования является представление о структуре детрита (мертвого органического вещества) как о наборе фракций с различным временем перехода биогенных соединений (фосфора и др.) в минеральные формы. С точки зрения кибернетики детрит является семейством обратных связей с запаздыванием в общем цикле веществ в экосистеме:

биота (фитопланктон, зоопланктон, рыбы) => биогенные элементы => биота

Каждая фракция детрита, имеющая свое характерное время разложения (возврата биогенных элементов в круговорот), соответствует одной обратной связи.

Детрит (англ. Detritus ) — персонаж книг Терри Пратчетта. Тролль. Образ этого медлительного монстра хорошо соответствует фразе Саундерса о медленном включении детрита в биотический круговорот.

Проведено теоретическое исследование влияния структуры обратных связей на устойчивость популяционной динамики водорослей. Так, когда имеется только одна обратная связь (это соответствует ситуации, когда весь детрит представляет собой одну-единственную фракцию с определенной скоростью перехода биогенных соединений в минеральные формы), то при большом запаздывании (т.е. медленном переходе) могут возникать опасные колебания биомассы водорослей большой амплитуды. Иными словами, экосистема становится неустойчивой. При дискретном наборе (две и более) обратных связей устойчивость фитоценоза иногда может достигаться и при сколь угодно больших запаздываниях. А при непрерывном наборе обратных связей удается ввести глобальную характеристику меры разнообразия пучка обратных связей – дисперсию. Замечательно, что если дисперсия достаточно высока, то фитоценоз устойчив независимо от величины запаздываний в обратных связях.

В переводе на простой язык это означает, что если детрит достаточно разнообразен – то есть состоит из множества фракций, сильно различающихся по скорости возвращения биогенных элементов в круговорот – то он может выступать в качестве стабилизирующего фактора в водных экосистемах.

Механизм увеличения разнообразия (=избыточности) обратных связей позволяет объяснить возникновение устойчивых экологических структур из неустойчивых подсистем. Данная идея избыточности широко используется в технике при построении надежных систем из ненадежных элементов (Дж. фон Нейман), и даже при общении. «... Естественные языки отличаются чрезвычайной избыточностью. Даж есл неклко бкв вбрсть, эт прдлж ещ мжн прчть» (Ч. Уззерелл. Этюды для программистов )

См. также:
К. А. Подгорный. Структура детрита и его значение в функционировании водных экосистем.
П. В. Турчин. Популяционная динамика