自然与反馈控制

自然与反馈控制
自然与反馈控制

自然与反馈控制
宇宙中有两类系统,一类是封闭系统,即系统和周围环境之间没有物质和能量的交换,一类是开放系统,即系统和周围环境之间存在物质和能量交换（图5-8）.除了宇宙之外,自然界所有的系统都是开放系统,生态系统就是一种开放系统,但各生态系统的开放程度却有很大不同,例如一个溪流系统开放的程度就比一个池塘系统大得多,因为在溪流系统中,水携带着各种物质不停地流入和流出.自然界生态系统的一个很重要的特点就是它常常趋向于达到一种稳态或平衡状态,使系统内的所有成分彼此相互协调.这种平衡状态是靠一种自我调节过程来实现的.借助于这种自我调节过程,各个成分都能使自己适应于物质和能量输入和输出的任何变化.例如,某一生境中的动物数量决定于这个生境中的食物数量,最终这两种成分（动物数量和食物数量）将会达到一种平衡.如果因为某种原因（如雨量减少）使食物产量下降,因而只能维持比较少的动物生存,那么这两种成分之间的平衡就被打破了,这时动物种群就不得不借助于饥饿和迁移加以调整,以便使自身适应于食物数量下降的状况,直到调整到使两者达到新的平衡为止.生态系统的另一个普遍特性是存在着反馈现象.什么是反馈?当生态系统中某一成分发生变化的时候,它必然会引起其他成分出现一系列的相应变化,这些变化最终又反过来影响最初发生变化的那种成分,这个过程就叫反馈.反馈有两种类型,即负反馈（negative feedback）和正反馈（Positive feedback）.负反馈是比较常见的一种反馈,它的作用是能够使生态系统达到和保持平衡或稳态,反馈的结果是抑制和减弱最初发生变化的那种成分所发生的变化.例如,如果草原上的食草动物因为迁入而增加,植物就会因为受到过度啃食而减少,植物数量减少以后,反过来就会抑制动物数量 另一种反馈叫正反馈,正反馈是比较少见的,它的作用刚好与负反馈相反,即生态系统中某一成分的变化所引起的其他一系列变化,反过来不是抑制而是加速最初发生变化的成分所发生的变化,因此正反馈的作用常常使生态系统远离平衡状态或稳态.在自然生态系统中正反馈的实例不多,下面我们举出一个加以说明：如果一个湖泊受到了污染,鱼类的数量就会因为死亡而减少,鱼体死亡腐烂后又会进一步加重污染并引起更多鱼类死亡.因此,由于正反馈的作用,污染会越来越重,鱼类死亡速度也会越来越快.从这个例子中我们可以看出,正反馈往往具有极大的破坏作用,但是它常常是爆发性的,所经历的时间也很短.从长远看,生态系统中的负反馈和自我调节将起主要作用.由于生态系统具有自我调节机制,所以在通常情况下,生态系统会保持自身的生态平衡.生态平衡是指生态系统通过发育和调节所达到的一种稳定状况,它包括结构上的稳定、功能上的稳定和能量输入输出上的稳定.生态平衡是一种动态平衡,因为能量流动和物质循环总在不间断地进行,生物个体也在不断地进行更新.正如前面我们所谈的,生态系统是由生产者、消费者和分解者三大功能类群以及非生物成分所组成的一个功能系统,一方面生产者通过光合作用不断地把太阳辐射能和无机物质转化为有机物质,另一方面消费者又通过摄食、消化和呼吸把一部分有机物质消耗掉,而分解者则把动植物死后的残体分解和转化为无机物质归还给环境供生产者重新利用.可见能量和物质每时每刻都在生产者、消费者和分解者之间进行移动和转化.在自然条件下,生态系统总是朝着种类多样化、结构复杂化和功能完善化的方向发展,直到使生态系统达到成熟的最稳定状态为止.当生态系统达到动态平衡的最稳定状态时,它能够自我调节和维持自己的正常功能,并能在很大程度上克服和消除外来的干扰,保持自身的稳定性.有人把生态系统比喻为弹簧,它能忍受一定的外来压力,压力一旦解除就又恢复原初的稳定状态,这实质上就是生态系统的反馈调节.但是,生态系统的这种自我调节功能是有一定限度的,当外来干扰因素如火山爆发、地震、泥石流、雷击火烧、人类修建大型工程、排放有毒物质、喷撒大量农药、人为引入或消灭某些生物等超过一定限度的时候,生态系统自我调节功能本身就会受到损害,从而引起生态失调,甚至导致发生生态危机.生态危机是指由于人类盲目活动而导致局部地区甚至整个生物圈结构和功能的失衡,从而威胁到人类的生存.有关生态危机种种表现,本书将在第六章介绍.生态平衡失调的初期往往不容易被人们觉察,如果一旦发展到出现生态危机就很难在短期内恢复平衡.为了正确处理人和自然的关系,我们必须认识到整个人类赖以生存的自然界和生物圈是一个高度复杂的具有自我调节功能的生态系统,保持这个生态系统结构和功能的稳定是人类生存和发展的基础.因此,人类的活动除了要讲究经济效益和社会效益外,还必须特别注意生态效益和生态后果,以便在改造自然的同时能基本保持生物圈的稳定与平衡.