Лекция:
Биосфера – как глобальная экосистема
1. Введение
2. Биосфера
2.1. Структурные уровни биосферы
2.2.
2.3. Живое вещество биосферы
2.4. История развития биосферы
3. Учение о биосфере
3.1. История изучения биосферы
3.2. Учение Вернадского
4. Экосистема
4.1. Понятие экосистемы
4.2. Классификация экосистем
4.3. Компоненты экосистемы
4.4. Круговорот вещества
4.5. Биосфера - глобальная экосистема
5. Заключение
1. ВВЕДЕНИЕ
Биосфера играет ключевую роль в существовании жизни на Земле. Благодаря взаимодействию биотической и абиотической части, образуется уникальная среда – экосистема, в которой происходит круговорот вещества, обеспечивающий поддержание баланса биоценозов.
Человек является непосредственно связанным с биосферой. Он не может покинуть эту оболочку, нуждаясь в постоянном поступлении энергии от продукции, производимой продуцентами экосистем, защите от космического излучения и пригодном для жизни микроклимате. Поэтому жизненно важной задачей современного человечества является сохранение среды их обитания в состоянии равновесия (переход от техносферы к ноосфере – разумно управляемой сфере). Целостное представление о механизме работы составляющих биосферу компонентов даёт понимание важности сохранения каждого компонента, что особенно актуально сейчас, когда нерациональное использование ресурсов биосферы нарушает баланс, приводя к необратимым процессам разрушения тонкой «оболочки жизни».
2. БИОСФЕРА
Биосфера в современном понимании – это оболочка Земли, содержащая живое вещество и ту часть абиотической среды, в непрерывном обмене с которым находится биовещество . Под живым веществом здесь подразумевается совокупность всех организмов, населяющих Землю. Биосфера распространяется на нижнюю часть атмосферы, гидросферу и тонкую верхнюю полосу литосферы и поверхность почвы. Однако, разделение это несколько условно, так как отдельные «островки жизни», обусловленные техногенезом, могут встречаться за пределами слоя жизни , например, космические корабли, буровые скважины.
2.1. Структурные уровни биосферы
В биосфере выделяют следующие структурные уровни (рис. 1):
Рис. 1. Структурные уровни биосферы
-
Аэробиосфера.
Расположена в пределах атмосферы (газовой оболочки планеты). Вещество в атмосфере распределено неравномерно, что обуславливается уменьшением плотности воздуха с удалением от поверхности. Обычно атмосферу делят на три крупных совокупности слоев: тропосферу (от поверхности до высоты 8-10 км), стратосферу (8-10 км до озонового слоя) и ионосферу (выше озонового слоя). В более подробном рассмотрении, подразделяется на тропобиосферу
(соответствует тропосфере – 8-10 км.), в которой сосредоточены почти все аэробионты (организмы, постоянно живущие в слое воздуха, нуждающиеся во влажности и взвешенных частицах – аэрозолях ; в основном – бактерии), и альтобиосферу
(от 8-10 км. До озонового слоя, после которого жесткое ультрафиолетовое излучение не допускает существование жизненных форм.
В настоящее время иногда также выделяют парабиосферу
(выше озонового слоя, куда некоторые организмы могут случайно попадать, но не могут нормально существовать), апобиосферу
(слой выше 60-80 км., куда живые организмы никогда не поднимаются, но биовещество может заноситься в очень незначительных количествах) и артебиосферу
(космическое пространство, в котором биологические существа существуют на созданных человеком ограниченных пространствах, т. е. космических спутниках, космических станциях и т. п.).
- Гидробиосфера. Водная оболочка планеты, представленная океанами, морям, и наземными водами (гидросфера). Простирается от поверхности водоемов до глубины 11 км. (Марианская впадина). Подразделяется на марианобиосферу (или океанобиосферу), и аквабиосферу , которая в свою очередь некоторыми учеными делится на лимноаквабиосферу (биосфера озер; в том числе галолимнобиосферу – биосферу соленых озер) и реаквабиосферу (реки).
- Геобиосфера. Самая населенная организмами оболочка , распространяющаяся от поверхности почвы на границе с атмосферой и гидросферой до глубины нескольких километров (верхняя часть литосферы). Геобиосфера подразделяется на поверхностную часть – террабиосферу , и подземную часть – литобиосферу (см. рис. 2). Последняя не имеет окончательно установленных нижних границ и теоретически может распространяться до 20-25 км., на которой вследствие температур около 450оС при любом давлении вода превращается в пар, делая существование любых организмов невозможным . Сегодня глубины распространения микроорганизмов, подтвержденные опытно, составляют около 2 км [ 2 ].
Рис. 2. Соотношение слоев биосферы с высотами их распространения
2.2. Абиотические компоненты биосферы
К абиотическим (неживым, косным ) компонентам относится вещество, в создании которого не принимало участие живое вещество : земная кора (кроме самого верхнего слоя – почвы, а также продуктов фоссилизации, т. е. захоронения органического вещества), минералы и вещества, поступающие в биосферу из-за её пределов (космоса, глубин планеты). Достаточно сложно выделить абсолютно «чистое» косное вещество, так как воздействие живых организмов в биосфере испытывают все неживые вещества. Поэтому, косное вещество, образовавшееся и перерабатываемое живыми организмами, называется биокосным (например: почва, ил).
Биогенное вещество – это вещество, создаваемое и перерабатываемое живым веществом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ (например, так образовались уголь, нефть, минеральные породы, кислород).
2.3. Живое вещество биосферы
Живое вещество, или биомасса – совокупность всех живых организмов на Земле, способных к воспроизводству, распространению по планете, борьбе за пищу, воду, территорию и т. д. Живое вещество связано с косным веществом – атмосферой (до уровня озонового экрана), полностью с гидросферой и литосферой, главным образом в границах почвы, но не только.
Живое вещество биосферы неоднородно и обладает тремя типами трофических взаимодействий: автотрофностью, гетеротрофностью, миксотрофностью.
Трофические экологические взаимодействия способствуют преобразованию неорганического (косного) вещества в органическое и обратной перестройке органических веществ в минеральные.
Живое вещество характеризуется определенными свойствами: это огромная свободная энергия; химические реакции, протекающие в тысячи и даже миллионы раз быстрее, чем в других веществах планеты; специфические химические соединения – белки, ферменты и другие соединения, устойчивые в составе живого; возможность произвольного движения – рост или активное перемещение; стремление заполнить все окружающее пространство; разнообразие форм, размеров, химических вариантов и т. п., значительно превышающее многие контрасты в неживом, косном веществе.
Количество живого вещества биосферы в пределах отдельно рассматриваемого геологического периода является постоянным. Согласно закону биогенной миграции атомов , живое вещество оказывается энергетическим и химическим посредником между Солнцем и поверхностью Земли.
2.4. История развития биосферы
Биосфера не развивалась равномерно на всем протяжении истории Земли. Наибольшее ее влияние на формирование внешнего облика планеты стало заметно лишь в последние 600-700 млн. лет, когда с заселением материков резко возросла роль фотосинтеза , что привело к многократному увеличению доли кислорода в древней атмосфере.
В развитии биосферы условно можно выделить несколько этапов, каждый из которых отмечен важным прогрессивным продвижением; которые в конце привели к образованию современного состояния биосферы (рис. 3).
Рис.3. Основные этапы развития биосферы
- Хемогенез (химическая эволюция). Большинство гипотез о происхождении жизни на Земле предполагают, что долгое время после формирования пригодной для выживания живых организмов температурной среды, планета была безжизненной. В это время на ее поверхности, в атмосфере и океане под действием коротковолнового солнечного изучения происходил медленный абиогенный синтез органических соединений (метан, водород , аммиак , водяной пар), который привел к формированию первых, самых примитивных организмов . Длительность этапа оценивается не менее чем в 1 млрд. лет.
- Биогенез. Ключевым фактором, обусловившим появление сложных организмов из простых, стало насыщение атмосферы кислородом, который по мере увеличения концентрации в верхних слоях атмосферы, под действием ультрафиолетового излучения образовывал газ озон, имевший свойство задерживать коротковолновую радиацию, губительную для жизненных форм. На начальных этапах биогенеза концентрация кислорода составляла не более 0,1% от современного; изменение атмосферы началось приблизительно 2 млрд. лет назад, когда появились первые фотосинтезирующие организмы (очевидно, это были сине-зеленые водоросли – прокариоты) . А значительное увеличение доли кислорода началось около 1,5 млрд. лет назад вместе с появлением хлорофилловых клеток, поглощающих углекислый газ и выделяющих кислород в больших объемах. Около 600 млн. лет назад произошло еще одно резкое увеличение доли кислорода в атмосфере (с 3% от современного значения 700 млн. лет назад до 50% - в меловом периоде 140 млн. лет назад). Причиной этого стал выход и расселение по материкам сначала низших, затем высших автотрофов.
- Социогенез. Появление человека и его расселение по планете (1,5 – 3 млн. лет назад).
- Техногенез. Биосфера сильно подверглась изменению в период активного формирования технической оболочки – техногенных и природно-технических комплексов (результатов производственной деятельности), которой окружил себя человек. Начало этапа связано с появлением 10-15 тыс. лет назад городских поселений .
- Ноогенез. Последняя, высшая стадия развития биосферы, связанная прежде всего с превращением одностороннего использования природных ресурсов (характерно для техногенеза) в разумно-управляемую социально-природную систему (ноосферу). Ее особенностью является взаимополезное взаимодействие природы и человеческого сообщества, где человеческая деятельность становится определяющим фактором глобального развития, в частности внешнего облика окружающей его среды . При этом, так как человечество может существовать только в благоприятном для жизни слое – биосфере, то основной целью построения ноосферы является сохранение того типа биосферы, который обеспечивает выживание и развитие человека и его взаимодействия с окружающей средой. Термин впервые введен и описан советским ученым В. Вернадским.
3. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ
Современное понимание термина «биосфера» и выделение ее, как области распространения живого вещества возможно благодаря трудам Ж.-Б. Ламарка, Э. Зюсса, В. Вернадского и других ученых, благодаря которым биосфера стала центральным объектом изучения новой науки – экологии. Изучение биосферы и планирование ее будущего развития не может отделяться от изучения истории ее становления.
3.1. История изучения биосферы
«Биосфера» как понятие, отражающее область распространения живых организмов, впервые ввел в своих работах французский натуралист Ж.-Б. Ламарк (1802) . Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.
Факты и положения о биосфере накапливались постепенно в связи с развитием ботаники, почвоведения, географии растений и других преимущественно биологических наук, а также геологических дисциплин. Однако в то время быстрое расслоение наук о природе привело к тому, что термин не прижился. Только спустя более 70 лет, в 1875 австрийский геолог Э. Зюсс вновь упомянул этот термин. Первоначально под «биосферой» подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого термина «биосфера» Э. Зюсс в своей книге «Лик Земли», опубликованной спустя тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замечал обратного воздействия биосферы и определял ее как «совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверхности Земли».
А третье и окончательное возрождение понятия стало возможным благодаря советскому геологу, создавшему в 20-х годах XX века современное учение о биосфере (1926). Должного внимания научному труду Вернадского сначала оказано не было, но после Второй Мировой Войны последствия радиоактивного и химического загрязнения воздуха, воды и почв заставило ученых вернуться к исследованиям Вернадского.
3.2. Учение Вернадского
Согласно воззрениям Вернадского весь облик Земли, все ее ландшафты, атмосфера, химический состав вод, толща осадочных пород обязаны своим происхождением живому веществу . Жизнь – это связующее звено между Космосом и Землей, которое используя энергию, приходящую из космоса, трансформирует косное вещество, создает новые формы материального мира. Так, живые организмы создали почву, наполнили атмосферу кислородом, оставили после себя километровые толщи осадочных пород и топливные богатства недр, многократно пропустили через себя весь объем Мирового океана. Вернадский не занимался проблемой возникновения жизни, он понимал ее как естественный этап самоорганизации материи в любой части космоса, приводящий к возникновению все новых форм ее существования.
В структуре биосферы Вернадский выделял семь видов вещества:
1. Живое.
2. Биогенное (возникшее из живого или подвергшееся переработке).
3. Косное (абиотическое, образованное вне жизни).
4. Биокосное (возникшее на стыке живого и неживого; к биокосному, по Вернадскому, относится почва).
5. Вещество в стадии радиоактивного распада.
6. Рассеянные атомы.
7. Вещество космического происхождения.
Вернадский был сторонником гипотезы панспермии (занесения жизни на Землю из космоса). Методы и подходы кристаллографии Вернадский распространял на вещество живых организмов. Он считал, что живое вещество развивается в реальном пространстве, которое обладает определённой структурой, симметрией и дисимметрией. Строение вещества соответствует некоему пространству, а их разнообразие свидетельствует о разнообразии пространств. Таким образом, живое и косное не могут иметь общее происхождение, они происходят из разных пространств, извечно находящихся рядом в Космосе. Некоторое время Вернадский связывал особенности пространства живого вещества с его предполагаемым неевклидовым характером, но по неясным причинам отказался от этой трактовки и стал объяснять пространство живого как единство пространства-времени.
Важным этапом необратимой эволюции биосферы Вернадский считал её переход в стадию ноосферы.
4. Биосфера как глобальная экосистема
4.1. Понятие «экосистема»
Экосистема – система, состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними .
Отличительной чертой экосистемы является наличие относительно замкнутых, стабильных в пространстве и времени потоков вещества и энергии между биотической и абиотической частями экосистемы , поэтому не каждая система взаимоотношений , естественная или искуственная, может называться экосистемой.
4.2. Классификация экосистем
Так как экосистемы являются сложными системами, то их классифицируют по нескольким признакам.
По размеру выделяют:
- Микроэкосистемы . Экосистемы самого нижнего ранга, по размеру сходные с небольшими компонентами среды: небольшой водоем, гниющий ствол упавшего дерева и т. п.
- Мезоэкосистемы . Примерами могут служить лес, река и т. п.
- Макроэкосистемы . Имеют очень большое распространение (в пределах морей, океанов, материков), например, горы Анды, материк Австралия.
- Глобальную экосистему , которая является аналогом биосферы.
Стабильность экосистем увеличивается вместе с широтой охвата территории.
По степени антропогенного воздействия экосистемы подразделяют на три вида:
- Природные (или естественные) – экосистемы не нарушенные влиянием человека. Например, отдаленные от человеческих поселений джунгли в Амазонии, заповедники, океанические впадины.
- Социоприродные – естественные системы, измененные человеком (парк, водохранилище)
- Антропогенные – системы, созданные человеком для извлечения выгоды. Делятся на техногенные и агроэкосистемы.
Также экосистемы можно классифицировать по многим другим признакам: структуре (наземные, пресноводные, морские, прибрежные и т. д.); источникам энергии (основной источник – Солнце, но присутствуют также другие субсидирующие источники) .
Так как биомы (макроэкосистемы) распределены согласно консорциям , экосистемы принято классифицировать по типу преобладающего фитоценоза:
Наземные биомы
Вечнозеленый тропический дождевой лес.
Полувечнозеленый тропический лес.
Пустыня: травянистая и кустарниковая.
Чапараль - районы с дождливой зимой и засушливым летом.
Тропические степи и саванна.
Степь умеренной зоны.
Листопадный лес умеренной зоны.
Бореальные хвойные леса.
Тундра: арктическая и альпийская.
Водные экосистемы классифицируются по отличительным признакам: солености воды, особенностям водоема.
Типы пресноводных экосистем
Стоячие воды: озера, пруды и т. д.
Текучие воды: реки, ручьи и т. д.
Заболоченные угодья: болота и болотистые леса.
Типы морских экосистем
Открытый океан.
Воды континентального шельфа (прибрежные воды).
Районы апвеллинга (районы подъема глубинных вод к поверхности; плодородные районы с продуктивным рыболовством).
Эстуарии (прибрежные бухты , проливы, устья рек, соленые марши и т. д.).
Следует учитывать то, что приведенная классификация охватывает только крупные экосистемы – биомы.
4.3. Компоненты экосистемы
В экосистеме можно выделить два компонента – биотический и абиотический. Биотический делится на автотрофный (организмы, получающие первичную энергию для существования из фото - и хемосинтеза или продуценты) и гетеротрофный (организмы, получающие энергию из процессов окисления органического вещества – консументы и редуценты) компоненты, формирующие трофическую структуру экосистемы.
Единственным источником энергии для существования экосистемы и поддержания в ней различных процессов являются продуценты, усваивающие энергию солнца. Солнечная энергия поглощается в биосфере неравномерно, что можно видеть на рис. 4.
Рис. 4. Поступление и распределение солнечной энергии
Энергия солнца поглощается лишь частично, и на каждый новый трофический уровень переходит лишь около 10% (Правило Линдемана) , что обуславливает ограниченную длину цепей питания (обычно 5-6 уровней), соответственно можно сказать что на долю консументов приходится значительно меньше энергии, чем на долю плотоядных, плотоядных – меньше чем фитофагов и т. д. (рис.5).
Рис. 5. Схема распределения энергии среди продуцентов и консументов
Каждая экосистема характеризуется присущей ей совокупностью свойств и структурой.
С точки зрения структуры в экосистеме выделяют:
1. Климатический режим, определяющий температуру, влажность, режим освещения и прочие физические характеристики среды.
2. Неорганические вещества, включающиеся в круговорот.
3. Органические соединения, которые связывают биотическую и абиотическую части в круговороте вещества и энергии.
4. Продуценты – автотрофные организмы, создающие первичную продукцию.
5. Консументы – гетеротрофы, поедающие другие организмы (хищные) или крупные частицы органического вещества.
6. Редуценты – гетеротрофы, в основном грибы и бактерии, которые разрушают мёртвое органическое вещество, минерализуя его, тем самым возвращая в круговорот.
Последние три компонента формируют биомассу экосистемы.
С точки зрения функционирования экосистемы выделяют следующие функциональные блоки организмов (помимо автотрофов):
1. Биофаги – организмы, поедающие других живых организмов.
2. Сапрофаги – организмы, поедающие мёртвое органическое вещество.
Данное разделение по типу питания обеспечивает круговорот биовещества в экосистеме. Между отмиранием органического вещества и повторным включением его составляющих в круговорот вещества в экосистеме может пройти существенный промежуток времени, например, в случае соснового бревна, 100 и более лет.
Все эти компоненты взаимосвязаны в пространстве и времени и образуют единую структурно-функциональную систему.
Среди составляющих также выделяют экотоп, климатоп, эдафотоп, биотоп и биоценоз.
Экотоп – территория (или акватория) местообитания организмов, характеризующееся определённым сочетанием экологических условий: почв, грунтов, микроклимата и т. д., при этом не измененная деятельностью организмов (новообразованные формы рельефа).
Климатоп – воздушная (или водная) часть экосистемы, отличающаяся от окружающей своим составом, воздушным (водным) режимом, влажностью (соленостью) и/или другими параметрами.
Эдафотоп – почва, как часть среды преобразуемой организмами.
Биотоп – преобразованный биотой экотоп или, более точно, участок территории, однородный по условиям жизни для определённых видов растений или животных, или же для формирования определённого биоценоза .
Биоценоз – исторически сложившаяся совокупность растений, животных, микроорганизмов, населяющих участок суши или водоёма (биотоп). Биоценозы ограничиваются распределением детерминантов (определителей) зооценозов (консорций – популяций растений вместе с сопровождающими их организмами), в которых доминирующие виды растений создают условия для жизни других организмов.
4.4. Круговорот вещества в биосфере
Земля отличается от других планет тем, что её биосфера содержит вещество, чувствительное к потоку солнечного излучения – хлорофилл. Именно хлорофилл обеспечивает преобразование электромагнитной энергии солнечного излучения в химическую энергию, с помощью которой идет процесс восстановления окислов углерода и азота в реакциях биосинтеза.
В зеленом растении происходит фотосинтез – процесс образования углеводов из воды и двуокиси кислорода (которая находится в воздухе или воде). При этом в качестве побочного продукта выделяется кислород. Зеленые растения относят к автотрофам – организмам, которые берут все нужные им для жизни химические элементы из окружающей их косной материи и не требуют для построения своего тела готовых органических соединений другого организма.
Гетеротрофы – это организмы, которые нуждаются для своего питания в органическом веществе, образованном другими организмами. Гетеротрофы постепенно преобразуют органическое вещество, образованное автотрофами, доводя его до первоначального- минерального - состояния.
Деструктивная (разрушающая) функция совершается представителями каждого из царств живого вещества. Распад, разложение – неотъемлемое свойство обмена веществ каждого живого организма. Растения образуют органические вещества и являются крупнейшими производителями углеводов на Земле, но они же выделяют и необходимый для жизни кислород как побочный продукт фотосинтеза.
В процессе дыхания в телах всех видов живого образуется углекислый газ, который растения вновь используют для фотосинтеза. Существуют и такие виды живого, для которых разрушение отмершего органического вещества являются способом питания. Существуют организмы со смешанным типом питания, их называют миксотрофами .
В биосфере происходят процессы преобразования неорганического, косного вещества в органическое и обратной перестройки органических веществ в минеральные. Движение и преобразование веществ в биосфере осуществляется при непосредственном участии живого вещества, все виды которого специализировались на различных способах питания.
Конечное количество вещества, которое есть в биосфере, приобрело свойство бесконечности через круговорот веществ. Все компоненты биосферы взаимодействуют друг с другом (рис. 6), обеспечивая устойчивость системы.
Рис. 6. Экологические компоненты
В ходе биогеохимических циклов атомы большинства химических элементов проходили бесчисленное количество раз через живое существо. Например, весь кислород атмосферы «оборачивается» через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ – за 200-300 лет, а вся вода биосферы – за 2 млн. лет.
Живое вещество является совершенным приемником солнечной энергии. Энергия, поглощенная и использованная в реакции фотосинтеза, а затем запасенная в виде химической энергии углеводов, очень велика, есть сведения что она сопоставима с энергией, которую потребляют 100 тысяч больших городов в течение 100 лет. Гетеротрофы используют органическое вещество растений, как пищу: органика окисляется кислородом, который доставляют в организм органы дыхания, с образованием углекислого газа - реакция идет в обратном направлении. Таким образом, «вечной» делает жизнь одновременное существование автотрофов и гетеротрофов.
Факты и рассуждения о «колесе жизни» в биосфере дают право говорить о законе биогенной миграции атомов, который сформулировал: миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, как тем, которое сейчас населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории.
Живое вещество разных царств и разного рода обеспечивает непрерывный круговорот веществ и преобразование энергии. Тем самым обнаруживается закон биогенной миграции атомов : в биосфере миграция химических элементов происходит при обязательном непосредственном участии живых организмов. Биогенная миграция атомов обеспечивает непрерывность жизни в биосфере при конечном количестве вещества и постоянном притоке энергии.
4.5. Биосфера – глобальная экосистема.
Экосистемой, как уже было рассмотрено выше, является система взаимодействия живых организмов и среды их обитания. Экосистемы бывают различных уровней сложности и размеров. Меньшие экосистемы входят в состав более крупных, те – в свою очередь в еще более крупные. Макроэкосистемы (материки, океаны и т. д.) формируют глобальную экосистему – Биосферу.
Для биосферы характерен круговорот энергии, обусловленный разными трофическими ролями продуцентов, консументов и редуцентов. Это один из ключевых признаков экосистемы, который обеспечивает стабильность экосистемы.
Для биосферы характерны все свойства экосистем:
- Биосфера включает в себя живые организмы, населяющие Землю, а также среду их обитания: океаны, сушу, атмосферу.
- В биосфере существуют круговороты вещества: большой (океан-суша) и малый (живое - косное вещество) .
- В биосфере присутствуют все три участника трофической цепи: продуценты, представленные автотрофами; консументы (гетеротрофные организмы), и редуценты (гетеротрофные организмы, разлагающие органическое вещество)
- Биосфера, как экосистема, обладает стабильностью, и потенциально бессмертна, пока существуют продуценты. Среди всех экосистем биосфера, как самая крупная, обладает наибольшей стабильностью.
Исходя из этого биосфере является экосистемой. Так как биосфера объединяет в себе все экосистемы на планете, то ее называют «Глобальной» экосистемой.
5. Заключение
Биосфера является глобальной экосистемой, так как обладает всеми свойствами экосистем. Следовательно, биосфере свойственно изменяться. Изменение биосферы под действием человеческой деятельности является необратимым преобразованием биосферы в техносферу. В условиях современного нарушения цепей взаимодействия организмов и среды их обитания (уничтожение связующих в трофических цепях, ареалов и т. д.) наиболее актуальным является тот негативный факт, что нарушение целостности системы из-за разрыва связей снижает ее естественную склонность к равновесию, что губительно для всего живого на планете, обязанного существованием прежде всего равновесному обмену энергией.
Понимая то, что биосфера, как экосистема обладает основным качеством любой системы – существованием взаимовыгодных связей, важно также понимать, что изменение любого компонента биосферы неизбежно оказывает влияние на все остальные, в конце концов на саму главную современную силу изменения биосферы – человека; поэтому так важно для сохранения биосферы знать о её организации и механизме функционирования.
6. Список использованной литературы
1. , – Биогеография с основами экологии. – М.: ИКЦ Академика, 2003. – 408 с.
2. – Азбука природы (микроэнциклопедия биосферы). – М.: Знание, 1980. – 208 с.
3. – Экология (теории, законы, правила принципы и гипотезы). М.: Россия молодая, 1994. – 367 с.
4. – Основы экологии. М.: Мир. – 1975. – 741с.
5. – Экология в 2-х томах, Т.1. Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. – 328 с.
6. – Экология в 2-х томах, Т.2. Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. – 376 с.
7. , – Экология: учебник для вузов. Ростов-на-Дону: Феникс, 2007. – 602 с.
8. Казначеев Вернадского о биосфере и ноосфере. Новосибирск: Наука, 1989. – 248 с.
9. Гальперин основы природопользования . М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2003. – 256 с.
10. , Козлова экологических терминов. Ульяновск: УлГТУ, 2005. – 264 с.
11. http://dic. *****/dic. nsf/ecolog/149
12. http://www. *****/ecochem/5.html
Смотри дополнительно Презентацию «Биосфера»
(см. раздел 3.1.)
(см. п. 5.3., определение биоценоза)
Биосфера (от греч. bios - жизнь, sphaira - шар) - динамическая планетарная экосистема. Представляет собой своеобразную оболочку Земли, содержащую всю совокупность живых организмов и ту часть неживого вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Объединяет все биогеоценозы (экосистемы) планеты.
По физическим природным условиям биосфера подразделяется на аэробиосферу (нижние слои атмосферы), гидробиосферу (вся гидросфера) и литобиосферу (верхние горизонты литосферы - твердой земной оболочки). Биосфера распространена на несколько километров вверх и вниз от поверхности земли и океана. Верхняя граница теоретически определяется озоновым слоем, нижняя - дном океана и глубиной литосферы около 6000 м (она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков).
Понятие «биосфера» ввел австрийский ученый Э. Зюсс в 1875 году. В.И. Вернадский создал учение о биосфере. Ввел понятие «живого вещества» и отвел живым организмам роль главных преобразователей планеты.
Все вещество биосферы разделено В.И. Вернадским на четыре категории: косное, живое, биогенное и биокосное.
Косное (неживое) вещество - объекты, образующиеся в результате процессов, не связанных с деятельностью живых организмов (продукты тектонической деятельности - магматические и метаморфические породы, некоторые осадочные породы).
Живое вещество - образовано совокупностью живых организмов, населяющих нашу планету.
Биогенное вещество - создается и перерабатывается в процессе жизнедеятельности живыми организмами (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, сланцы, известняки и т.д.). Оно концентрирует в себе мощную потенциальную энергию. После его образования живые организмы в биогенном веществе малодеятельны.
Биокосное вещество - особое вещество, представляющие собой результат совместной деятельности живых организмов и абиогенных процессов (почва, кора выветривания, природные воды). Живые организмы играют ведущую роль в поддержании свойств биокосных веществ. Так, вода, лишенная жизни и ее производных (кислорода, углекислоты и т.п.), в условиях земной поверхности является телом химически малодеятельным, инертным.
В настоящее время живое вещество включает и другие типы вещества, такие как радиоактивное вещество - атомы радиоактивных элементов (уран, торий, радий, радон и др.); атомы веществ, рассеянных в природе - отдельные атомы элементов, встречающиеся в природе в рассеянном состоянии (молибден, кобальт, цинк, медь, золото и др.); вещество космического происхождения - вещество, поступающее на Землю из космоса (метеориты, космическая пыль).
Жизнь в биосфере распространена неравномерно, мозаично. Она слабо выражена в холодных и жарких пустынях, высоко в горах, в центрах океанов. Высокая концентрация, богатство и разнообразие жизни присущи областям раздела разных сред: газообразной, жидкой и твердой. Жизнь сосредоточена на контакте литосферы и атмосферы (наземная жизнь и особенно - в почвах), атмосферы и гидросферы (поверхностные слои океана), литосферы и гидросферы (дно водоемов). Особенно богаты жизнью области, где почвы, вода и воздух близко соседствуют друг с другом - побережья и мелководья морей, лиманы, эстуарии рек. Места наибольшей концентрации организмов в биосфере В.И. Вернадский назвал «пленками жизни».
Живое вещество биосферы характеризуется определенными свойствами:
Стремлением заполнить собой все окружающее пространство.
Данное свойство связано с интенсивным размножением и способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела.
Возможность ю произвольного перемещения в пространстве.
Например, против течения воды, силы тяжести, ветра и т.п.
Наличием специфических химических соединений (белков, ферментов и др.), устойчивых при жизни и быстро разлагающихся после смерти. Образовавшаяся органика и неорганическое вещество включаются в круговороты.
Исключительным разнообразием форм, размеров, составов.
Высокой способностью адаптироваться к условиям существования, значительно превышающие контрасты в неживом (косном) веществе. Адаптация может осуществляться
- 1) активным путем - за счет усиления сопротивляемости и развития регуляторных процессов, позволяющих осуществлять все жизненные функции, несмотря на отклонение фактора от оптимума;
- 2) пассивным путем, через подчинение жизненных функций организма изменению факторов среды, например впадение в анабиоз;
- 3) через избегание неблагоприятных воздействий, например, используя сезонные миграции.
Феноменально высокой скоростью протекания реакций на несколько порядков (в сотни, тысячи и даже миллионы раз) быстрее, чем в неживой природе планеты.
Высокой скоростью обновления живого вещества. Для биосферы в среднем она составляет 8 лет, причем для суши - 14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким сроком жизни (например, планктон), - 33 дня.
Живое вещество существует в форме непрерывного чередования поколений, благодаря чему современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых эпох. При этом характерным для живого вещества является наличие эволюционного процесса, т.е. воспроизводство живого вещества происходит не по типу абсолютного копирования предыдущих поколений, а путем морфологических и биохимических изменений.
Особенности взаимодействия живого и неживого вещества нашли отражение в законе биогенной миграции атомов В.И. Вернадского, который гласит: «Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (О2, СО2, Н2 и т.д.) обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории». Данный закон дает возможность человечеству сознательно управлять биогеохимическими процессами как в целом на Земле, так и в ее регионах.
Деятельность живого вещества в биосфере в определенной степени условно можно свести к нескольким основополагающим функциям, дополняющим представление о его преобразующей биосферно-геологической деятельности. В.И. Вернадский впервые рассмотрел функции живого вещества в своей книге «Биосфера» (1926 г.): газовую, кислородную, окислительную, кальциевую, восстановительную, концентрационную функции, функцию разрушения органических соединений, функцию восстановительного разложения, функцию метаболизма и дыхания организмов. Позже классификация была несколько видоизменена, часть функций объединена, часть переименована. С современных позиций выделяют следующие функции живого вещества: энергетическую, газовую, окислительно-восстановительную, концентрационную, деструктивную, транспортную, средообразующую, рассеивающую, информационную, биогеохимическую деятельность человека.
Энергетическая функция состоит в том, что в процессе фотосинтеза создается органическое вещество, которое и передает энергию по пищевым цепям (сетям) в экосистеме. Поэтому, В.И. Вернадский назвал зеленые хлорофилльные организмы главным механизмом биосферы.
Главным источником энергии для биосферы является Солнце. 99% его энергии поглощается атмосферой, гидросферой и литосферой, а также участвует в физических и химических процессах, таких как движение воздуха и воды, выветривание. Только около 1% накапливается на первичном звене и распределяется в виде пищи между живыми организмами. Частично энергия рассеивается в виде тепла, частично накапливается в омертвевшем органическом веществе и переходит в ископаемое состояние.
Деструктивная функция состоит в разложении и минерализации мертвого органического вещества редуцентами-деструкторами, химическом разложении горных пород и минералов, вовлечении образовавшихся элементов в биотический круговорот, т.е. обуславливает превращение живого вещества в косное. Так, химическое разложение горных пород происходит при активном участии бактерий, сине-зеленых водорослей, грибов и лишайников. Мертвое органическое вещество разлагается до простых неорганических соединений (углекислого газа, воды, сероводорода аммиака и т.д.). Организмы избирательно извлекают и включают в биотический круговорот важнейшие питательные вещества: кальций, калий, натрий, фосфор, железо и др. Параллельно протекает процесс гумификации: часть промежуточных продуктов распада в результате деятельности разных групп организмов вступает в новый синтез, образуя гумус - сложный комплекс веществ, богатых энергией. Гумус является основой почвенного плодородия. Он разлагается определенными микроорганизмами очень медленно и постепенно, обеспечивая постоянство и надежность в снабжении растений биогенными элементами. Продукты минерализации органических веществ, растворяясь в природных водах, многократно усиливают их химическую активность в разрушении горных пород.
Концентрационная (накопительная) функция заключается в избирательном накоплении организмами из окружающей среды определенных химических элементов. Часть таких биоэлементов входит в состав тел всех живых существ, а часть - встречается только у определенных групп.
Способность концентрировать элементы из разбавленных растворов - это характерная особенность живого вещества. Наиболее активными концентраторами многих элементов являются микроорганизмы. Для построения своих скелетов или покровов активно концентрируют рассеянные минералы морские организмы. У некоторых организмов концентрация отдельных элементов составляет более 10% от веса тела. Такие организмы В.И. Вернадский предложил называть по элементу: кремневые (диатомные водоросли, радиолярии, многие губки и др.), железные (железобактерии), магниевые (литотамниевые водоросли), кальциевые (моллюски, известковые водоросли, кораллы, некоторые ракообразные), фосфорные (кости позвоночных животных) и др. Отмирая и захораниваясь в массе, они образуют скопления этих веществ, формируя горные породы. Многие из них человек использует как полезные ископаемые: железные руды, бокситы, фосфориты, известняки и многие другие.
Особого внимания заслуживает способность морских организмов накапливать микроэлементы, тяжелые металлы, в том числе ядовитые (ртуть, свинец, мышьяк), радиоактивные элементы. В теле беспозвоночных и рыб их концентрация может в сотни тысяч раз превосходить содержание в морской воде, что может грозить отравлением тяжелыми металлами при их употреблении в пищу или быть опасным в связи с повышенной радиоактивностью.
Рассеивающая функция заключается в биогенном перемещении атомов и проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов.
Кроме вовлечения в химические реакции, вещества перемещаются живыми организмами и в пространстве. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, гибели организмов, разного рода перемещениях в пространстве, смене покровов. Растения выносят химические элементы из почвы на ее поверхность, формируя свои тела порой до десятков метров в высоту. Перемещают большие массы почвы и грунтов роющие животные. На далекие расстояния разносят вещество летающие организмы. Железо гемоглобина крови рассеивается, например, через кровососущих насекомых.
Средообразующая функция основана на создании одними организмами среды обитания для других и заключается в преобразовании физико-химических параметров среды (литосферы, гидросферы, атмосферы) в условия, благоприятные для существования организмов. Например, леса регулируют поверхностный сток, увеличивают влажность воздуха, обогащают атмосферу кислородом.
Данная функция является совместным результатом рассмотренных выше функций живого вещества: энергетическая функция обеспечивает энергией все звенья биологического круговорота; деструктивная и концентрационная способствуют извлечению из природной среды и накоплению рассеянных, но жизненно важных для живых организмов элементов. Очень важно отметить, что в результате средообразующей функции в географической оболочке был преобразован газовый состав первичной атмосферы, изменился химический состав вод первичного океана, образовалась толща осадочных пород в литосфере, на поверхности суши возник плодородный почвенный покров.
Средообразующие функции живого вещества создали и поддерживают баланс вещества и энергии в биосфере, обеспечивая стабильность условий существования организмов, в том числе человека. Вместе с тем живое вещество способно восстанавливать условия обитания, нарушенные в результате природных катастроф или антропогенного воздействия.
Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении главным образом тех веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (соединения железа, марганца, азота и др.). При этом на поверхности Земли преобладают биогенные процессы окисления и восстановления. Обычно окислительная функция живого вещества в биосфере проявляется в превращении бактериями и некоторыми грибами относительно бедных кислородом соединений в почве, коре выветривания и гидросфере в более богатые кислородом соединения. Восстановительная функция осуществляется при образовании сульфатов непосредственно или через биогенный сероводород, производимый различными бактериями.
Газовая функция заключается в способности изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. Преобладающая масса газов на Земле имеет биогенное происхождение. В процессе функционирования живого вещества создаются основные газы: азот, кислород, углекислый газ, сероводород, метан и др.
В зависимости от того, о каких газах идет речь, выделяется несколько газовых функций:
- Ш кислородно-диоксидуглеродная - создание основной массы свободного кислорода на планете. Носителем данной функции является каждый зеленый организм. Выделение кислорода идет только при солнечном свете, ночью этот фотохимический процесс сменяется выделением зелеными растениями углекислого газа;
- Ш диоксидуглеродная, не зависимая от кислородной - образование биогенной угольной кислоты как следствие дыхания животных, грибов и бактерий. Значение функции возрастает в области подземной тропосферы, не имеющей кислорода;
- Ш озонная и пероксидводородная - образование озона (и, возможно, пероксида водорода). Биогенный кислород, переходя в озон, предохраняет жизнь от разрушительного действия радиации Солнца. Выполнение этой функции вызвало образование защитного озонового экрана;
- Ш азотная - создание основной массы свободного азота тропосферы за счет выделения его азотовыделяющими бактериями при разложении органического вещества. Реакция происходит в условиях как суши, так и океана;
- Ш углеводородная - осуществление превращений многих биогенных газов, роль которых в биосфере огромна. К их числу относятся, например, природный газ, терпены, содержащиеся в эфирных маслах, скипидаре и обусловливающие аромат цветов, запах хвойных.
Вследствие выполнения живым веществом газовых биогеохимических функций в течение геологического развития Земли сложились современный химический состав атмосферы с уникально высоким содержанием кислорода и низким содержанием углекислого газа, а также умеренные температурные условия. Хорошо видно, что газовая функция является совокупностью двух основополагающих функций - деструктивной и средообразующей.
Транспортная функция заключается в переносе вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении. Живое вещество - единственный фактор, обусловливающий обратное перемещение вещества - снизу вверх, из океана - на континенты. Еще со времен Ньютона известно, что перемещение потоков вещества на нашей планете определяется силой земного тяготения. Неживое вещество само по себе перемещается по наклонной плоскости исключительно сверху вниз. Только в этом направлении движутся реки, ледники, лавины, осыпи. За счет активного передвижения живые организмы могут перемещать различные вещества или атомы в горизонтальном направлении, например за счет различных видов миграций. Перемещение, или миграцию, химических веществ живым веществом В.И. Вернадский назвал биогенной миграцией атомов или вещества.
Информационная функция - накопление живыми организмами информации, закодированной в наследственных структурах: ДНК и РНК, и передача последующим поколениям.
Биогеохимическая деятельность человека - превращение, добыча и перемещение вещества на расстояния от мест их производства или добычи.
Охватывает все возрастающее количество вещества земной коры для нужд промышленности, транспорта, сельского хозяйства. Данная функция занимает особое место в истории земного шара и заслуживает внимательного отношения и изучения.
Таким образом, все живое население нашей планеты - живое вещество - находится в постоянном круговороте биофильных химических элементов. Биологический круговорот веществ в биосфере связан с большим геологическим круговоротом.
Окружающий нас мир живых организмов биосферы представляет собой сочетание различных биологических систем разной структурной упорядоченности и разного организационного положения. В связи с этим выделяют разные уровни существования живого вещества - от крупных молекул до растений и животных различных организаций.
- 1. Молекулярный (генетический) - самый низкий уровень, на котором биологическая система проявляется в виде функционирования биологически активных крупных молекул - белков, нуклеиновых кислот, углеводов. С этого уровня наблюдаются свойства, характерные исключительно для живой материи: обмен веществ, протекающий при превращении лучистой и химической энергии, передача наследственности с помощью ДНК и РНК. Этому уровню свойственна устойчивость структур в поколениях.
- 2. Клеточный - уровень, на котором биологически активные молекулы сочетаются в единую систему. В отношении клеточной организации все организмы подразделяются на одноклеточные и многоклеточные.
- 3. Тканевый - уровень, на котором сочетание однородных клеток образует ткань. Он охватывает совокупность клеток, объединенных общностью происхождения и функций.
- 4. Органный - уровень, на котором несколько типов тканей функционально взаимодействуют и образуют определенный орган.
- 5. Организменный - уровень, на котором взаимодействие ряда органов сводится в единую систему индивидуального организма. Представлен определенными видами организмов.
- 6. Популяционно-видовой, где существует совокупность определенных однородных организмов, связанных единством происхождения, образом жизни и местом обитания. На этом уровне происходят элементарные эволюционные изменения в целом.
- 7. Биоценоз и биогеоценоз (экосистема) - более высокий уровень организации живой материи, объединяющий разные по видовому составу организмы. В биогеоценозе они взаимодействуют друг с другом на определенном участке земной поверхности с однородными абиотическими факторами.
- 8. Биосферный - уровень, на котором сформировалась природная система наиболее высокого ранга, охватывающая все проявления жизни в пределах нашей планеты. На этом уровне происходят все круговороты вещества в глобальном масштабе, связанные с жизнедеятельностью организмов.
При всем разнообразии живое вещество физико-химически едино, имеет одни и те же эволюционные корни. В природе нет такого вида, который бы реагировал на некое химическое или физическое воздействие качественно иначе, чем организмы других видов. Закон физико-химического единства живого вещества имеет важное практическое значение для человека. Из него следует, что:
- Ш Нет такого физического или химического агента (абиотического фактора), который был бы гибелен для одних организмов и абсолютно безвреден для других. Разница лишь количественная - одни организмы более чувствительны, другие менее, одни в ходе отбора быстрее приспосабливаются, а другие медленнее (приспособление идет в ходе естественного отбора, т.е. за счет тех, что не смогли адаптироваться к новым условиям).
- Ш Количество живого вещества (биомассы) биосферы в пределах рассматриваемого геологического периода есть константа - таков закон константности количества живого вещества В.И. Вернадского. Согласно закону биогенной миграции атомов, живое вещество является посредником между Солнцем и Землей. Если бы количество живого вещества колебалось, то энергетическое состояние планеты было бы непостоянно.
- Ш Общее видовое разнообразие в биосфере есть константа - число нарождающихся видов в среднем равно числу вымирающих. Процесс вымирания видов был неизбежен из-за изменения условий жизни на планете. Причем вид никогда не исчезает в одиночку, он «тянет за собой» еще порядка 10 других видов, уходящих вместе с ним. На их место, согласно правилам экологического дублирования, приходят другие виды, особенно в управляющем звене экосистем - среди консументов. Поэтому во все геологические периоды массового вымирания организмов наблюдалось и бурное видообразование.
Биосфере, как и другим ее экосистемам более низкого ранга, присущи свойства, которые обеспечивают ее функционирование, саморегулирование, устойчивость и другие параметры:
Биосфера - централизованная система. Центральным звеном ее выступают живые организмы (живое вещество).
Биосфера - открытая система. Ее существование немыслимо без поступления энергии извне. Она испытывает воздействие космических сил, прежде всего солнечной активности.
Биосфера - саморегулирующаяся система, для которой, как отмечал В. И. Вернадский, характерна организованность. В настоящее время это свойство называют гомеостазом, понимая под ним способность возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения включением ряда механизмов. Гомеостатические механизмы связаны в основном с живым веществом, его свойствами и функциями.
Биосфера - система, характеризующаяся большим разнообразием. Разнообразие - важнейшее свойство всех экосистем. Биосфера как глобальная экосистема характеризуется максимальным среди других систем разнообразием. С ним связана возможность дублирования, подстраховки, замены одних звеньев другими (например, на видовом или популяционном уровнях), степень сложности и прочности пищевых и других связей.
Важное свойство биосферы - наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений. Только благодаря круговоротам и наличию неисчерпаемого источника солнечной энергии обеспечивается непрерывность процессов в биосфере и ее потенциальное бессмертие.
Все многообразие видов деятельности человека в биосфере сопровождается изменением ее состава, энергетического баланса, круговоротов слагающих ее веществ и др. Направленность и степень этих изменений приводит к возникновению экологического кризиса, который характеризуется:
постепенным изменением климата планеты вследствие изменения баланса газов в атмосфере;
общим и местным (над полюсами, отдельными участками суши) разрушением биосферного озонового экрана;
загрязнением Мирового океана тяжелыми металлами, сложными органическими соединениями, нефтепродуктами, радиоактивными веществами, насыщение вод углекислым газом;
разрывом естественных экологических связей между океаном и водами суши в результате строительства плотин на реках, приводящих к изменению твердого стока, нерестовых путей и т.п.;
загрязнением атмосферы с образованием кислотных осадков, высокотоксичных веществ в результате химических и фотохимических реакций;
загрязнением вод суши, в том числе речных, служащих для питьевого водоснабжения, высокотоксичными веществами, включая диоксины, тяжелые металлы, фенолы;
опустыниванием планеты;
деградацией почвенного слоя, уменьшением площади плодородных земель, пригодных для сельского хозяйства;
радиоактивным загрязнением отдельных территорий в связи с захоронением радиоактивных отходов, техногенными авариями и т.п.; накоплением на поверхности суши бытового мусора и промышленных отходов, в особенности практически неразлагающихся пластмасс; сокращением площадей тропических и северных лесов, приводящему к дисбалансу газов атмосферы, в том числе сокращению концентрации кислорода в атмосфере планеты;
загрязнением подземного пространства, включая подземные воды, что делает их непригодными для водоснабжения;
массовым и быстрым, лавинообразным исчезновением видов живого вещества;
ухудшение среды жизни в населенных местах, прежде всего урбанизированных территориях;
общее истощение и нехватка природных ресурсов для развития человечества;
изменение размера, энергетической и биогеохимической роли организмов, переформирование пищевых цепей, массовое размножение отдельных видов организмов.
Любая живая система есть частный вид наиболее сложных систем, построенных на основе белковых соединений. Поэтому системный подход в экологии очень популярен.
В экологии существуют два подхода к пониманию сути явлений:
Популяционный подход - концентрирует внимание на популяциях живых существ, то есть на группах особей одного вида, большое число поколений которого населяет определенное пространство в ограниченных пределах (считается, что именно популяция является основной элементарной единицей, изучаемой традиционной экологией);
Экосистемный подход - базируется на понятии экосистемы - совокупности организмов и неживых компонентов, взаимодействующих совместно и связанных потоками вещества и энергии.
Понятие экосистема введено английским ботаником А. Тенсли в 1935 г.
Географ и писатель Г.К. Ефремов дал образное определение экосистемы как “любого природного образования – от кочки до оболочки (географической)”.
Экосистемный подход тяготеет к целостному описанию природы, популяционный - к множественному.
Все экосистемы можно разделить по рангам:
1) микроэкосистемы (лужа, гниющий пень, разлагающийся труп и т.п.);
2) мезоэкосистемы (лес, озеро, река, небольшой остров и т.п.);
3) макроэкосистемы (море, океан, континент, большой остров и т.п.);
4) глобальная экосистема (биосфера).
Кроме приведенной классификации экосистем в экологии традиционно рассматривается еще понятие биогеоценоза, которое близко по смыслу к понятию экосистемы. Биогеоценоз - это частный случай крупной экосистемы, охватывающей как правило значительную территорию, предполагающий обязательное наличие в качестве основного звена растительности, то есть фитоценоза , обеспечивающего данную экосистему поступлением первичной энергии (информации). Ввиду подобной энергетической автономности биогеоценоз теоретически бессмертен, в отличие, например, от гниющего поваленного дерева, экосистема которого гибнет после того, как будет израсходована вся энергия, накопленная деревом за время жизни, а само дерево превратится в компоненты гумуса (плодородного слоя почвы).
В составе любой экосистемы обычно выделяют два блока: биоценоз и экотоп. Биоценоз состоит из взаимосвязанных организмов разных видов, которые входят в него не отдельными особями, а популяциями. Частный случай биоценоза - сообщество, оно может объединять только часть видов биоценоза (например, растительное сообщество). Под экотопом понимают среду обитания данного биоценоза. Это может быть территория данного биогеоценоза, характеризующаяся определенным составом слагающих ее геологических пород. Поваленное дерево, дающее жизнь разного рода деструкторам (насекомым, грибам, микробам и прочим организмам, разрушающим органику вплоть до минерального состояния) также является экотопом существующей на его базе экосистемы.
Таким образом, биогеоценоз = экотоп (гидрологические факторы (гидротоп), климатологические факторы ((климатоп), почвенные факторы (эдафотоп)) + биоценоз (растения (фитоценоз), животные (зооценоз), микроорганизмы (микробиоценоз)) (данная модель предложена В.Н. Сукачевым в 1942 г.).
1.4.1. Особенности экосистем
1. Тесная взаимосвязь и взаимозависимость всех звеньев как биотических (живых), так и абиотических (неживых). Корректировки связей приводят к возвращению в исходное состояние или к гибели.
2. Сильные положительные и отрицательные обратные связи.
Пример положительной обратной связи - заболачивание территории после вырубки леса. Это ведет к уплотнению почвы, следовательно, к накоплению воды и росту растений-влагонакопителей, что приводит к обеднению ее кислородом, а значит, к замедлению разложения растительных остатков, накоплению торфа и дальнейшему усилению заболачивания.
Пример отрицательной (стабилизирующей) обратной связи - взаимоотношение между хищником и жертвой, например между рысями и зайцами: рост количества зайцев способствует росту численности рысей, но чрезмерное количество рысей сокращает поголовье зайцев, после чего численность рыси также сокращается. В естественных условиях данная система достаточно быстро стабилизируется.
3. Явно выраженная эмерджентность.
Например, редкий древостой еще не составляет леса, так как не создает определенной среды: почвенной, гидрологической, метеорологической и т.д.
Эмерджентность повышает устойчивость экосистемы и ее способность к саморегулированию. Деятельность человека приводит к нарушению прямых и обратных связей в экосистемах.
Например, умеренное загрязнение водоемов органикой приводит к интенсификации размножения микроорганизмов, что приводит к самоочищению водоема. Неумеренное загрязнение, называемое эвтрофикацией, ведет к чрезмерному размножению организмов, активно разлагающих органическое вещество, что рано или поздно приводит к обеднению данного водоема кислородом, а значит, к угнетению и гибели этих организмов, разрушению связей, изменению системы и переходу ее на новый вид связей, обычно это заболачивание.
Обычно экосистемы для повышения устойчивости нуждаются в случайных стрессовых воздействиях типа бурь, пожаров и т.п. Но хронические стрессы малой интенсивности, характерные для антропогенного воздействия на природу, не дают явных реакций, поэтому их последствия оценить очень трудно, но они могут оказаться гибельными для экосистемы.
ª Вопросы для самопроверки
1. В чем отличие популяционного от экосистемного подхода в экологии?
2. Как подразделяются экосистемы? Приведите пример экосистемы каждого типа.
3. Дайте определение биогеоценоза.
4. Чем биогеоценоз отличается от экосистемы?
5. Что такое биоценоз, экотоп? Перечислите составляющие их элементы.
6. Приведите пример искусственной экосистемы
1.4.2. Уровни биологической организации
Обычно выделяют 6 главных уровней организации живой материи, образующих формальную иерархию: молекулярный ® клеточный ® организменный ® популяционный ® экосистемный ® биосферный, четких границ между этими уровнями нет, как нет четких границ между экосистемами разного ранга (эффект “матрешки” – одна экосистема является частью другой, большего размера), выделение различных экосистем достаточно произвольно.
Биосфера, являясь глобальной экосистемой (экосферой), как и любая экосистема, состоит из абиотической и биотической частей.
Абиотическая часть представлена:
1) почвой и подстилающими ее породами до глубины, где в них еще есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород и физической средой порового пространства;
2) атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни;
3) водной средой океанов, рек, озер и т. п.
Биотическая часть состоит из живых организмов всех таксонов, осуществляющих важнейшую функцию биосферы, без которой не может существовать сама жизнь: биогенный ток атомов . Живые организмы осуществляют этот ток атомов благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечивая обмен веществом между всеми частями биосферы (рис. 6.2).
Рис. 6.2. Взаимосвязи живых организмов с компонентами биосферы
В основе биогенной миграции в биосфере лежат два биохимических принципа :
¨ стремиться к максимальному проявлению, к «всюдности» жизни;
¨ обеспечить выживание организмов, что увеличивает саму биогенную миграцию.
Эти закономерности проявляются прежде всего в стремлении живых организмов «захватить» все мало-мальски приспособленные к их жизни пространства, создавая экосистему или ее часть. Но любая экосистема имеет границы, имеет свои границы в планетарном масштабе и биосфера. Один из вариантов границ биосферы приведен на рис. 6.5.
При общем рассмотрении биосферы, как планетарной экосистемы, особое значение приобретает представление о ее живом веществе, как о некой общей живой массе планеты.
Под живым веществом В. И. Вернадский понимает все количество живых организмов планеты как единое целое. Его химический состав подтверждает единство природы ¾ он состоит из тех же элементов, что и неживая природа (рис. 6.3), только соотношение этих элементов различное и строение молекул иное (рис. 6.4).
Рис. 6.3. Участие различных химических элементов атмосферы, гидросферы и литосферы
в построении живого вещества (относительные числа атомов) (по В. Лархеру, 1978).
Выделены самые распространенные элементы
Рис. 6.4. Структурные формулы некоторых органических соединений
живой клетки
Живое вещество образует ничтожно тонкий слой в общей массе геосфер Земли.
По подсчетам ученых его масса составляет 2420 млрд т, что более чем в две тысячи раз меньше массы самой легкой оболочки Земли ¾ атмосферы. Но эта ничтожная масса живого вещества встречается практически повсюду ¾ в настоящее время живые существа отсутствуют лишь в области обширных оледенений и в кратерах действующих вулканов.
«Всюдность жизни» в биосфере обязана потенциальным возможностям и масштабу приспособляемости организмов, которые постепенно, захватив моря и океаны, вышли на сушу и захватили ее. В. И. Вернадский считает, что этот захват продолжается.
На рис. 6.5 наглядно показаны границы биосферы ¾ от высот атмосферы, где царят холод и низкое давление, до глубин океана, где давление достигает до 12 тыс. атм. Это стало возможным потому, что пределы толерантности температур у различных организмов практически от абсолютного нуля до плюс 180 °С, а некоторые бактерии могут существовать в вакууме. Широк диапазон химических условий среды для ряда организмов ¾ от жизни в уксусе до жизни под действием ионизирующей радиации (бактерии в котлах ядерных реакторов). Более того, выносливость некоторых живых существ по отношению к отдельным факторам выходит даже за пределы биосферы, т. е. у них есть еще определенный «запас прочности» и потенциальные возможности к распространению.
Рис. 6.5. Распределение живых организмов в биосфере:
1
¾ озоновый слой; 2
¾ граница снегов; 3
¾ почва; 4
¾ животные, обитающие в пещерах;
5
¾ бактерии в нефтяных водах (высота и глубина даны в метрах)
Однако все организмы выживают еще и потому, что везде, где бы ни было их местообитание, существует биогенный ток атомов. Этот ток не смог бы иметь место, во всяком случае в наземных условиях, если бы не было почв.
Почвы ¾ важнейший компонент биосферы, оказывающий, наряду с Мировым океаном, решающее влияние на всю глобальную экосистему в целом. Именно почвы обеспечивают питание биогенными веществами растения, которые кормят весь мир гетеротрофов. Почвы на Земле разнообразные и их плодородие тоже разное.
Плодородие зависит от количества гумуса в почве, а его накопление, как и мощность почвенных горизонтов, зависит от климатических условий и рельефа местности. Наиболее богаты гумусом степные почвы, где гумификация идет быстро, а минерализация идет медленно. Наименее богаты гумусом лесные почвы, где минерализация по скорости опережает гумификацию.
Выделяют по различным признакам множество типов почв. Под типом почв понимается большая группа почв, формирующаяся и в однородных условиях, характеризующаяся определенным почвенным профилем и направленностью почвообразования.
Поскольку важнейшим почвообразующим фактором является климат, то, в значительной мере, генетические типы почв совпадают с географической зональностью: арктические и тундровые почвы, подзолистые почвы, черноземы, каштановые , серо-бурые почвы и сероземы, красноземы и желтоземы . Распространение основных типов почв на земном шаре показано на рис. 6.6.
Рис. 6.6. Схематическая карта зональных типов почв мира:
1
¾ тундра; 2
¾ подзолы; 3
¾ серо-бурые подзолистые почвы, бурые лесные почвы и т. д.;
4
¾ латеритные почвы; 5
¾ почвы прерий и деградированные черноземы; 6
¾ черноземы;
7
¾ каштановые и бурые почвы; 8
¾ сероземы и пустынные почвы;
9
¾ почвы гор и горных долин (комплекс); 10
¾ ледяной покров
Время формирования почв зависит от интенсивности гумификации. Скорость накопления гумуса в почвах можно определить в единицах, измеряющих мощность (толщину) гумусового слоя по отношению к времени их формирования, например, в мм/год. Такие цифры приводятся в табл. 6.4.
Таблица 6.4
Скорость формирования гумусового горизонта почв Русской равнины
(по А. Н. Геннадиеву и др., 1987)
Зная скорость накопления гумуса и мощность гумусового горизонта, можно рассчитать возраст различных типов почв (Геннадиев, 1987). На Русской равнине черноземы образовались за 2500-3000 лет, серые и бурые лесные почвы ¾ за 800-1000 лет, подзолистые, примерно за 1500 лет. Скорость образования почв зависит и от типа материнской породы ¾ на гранитах во влажном тропическом климате для образования настоящей почвы надо 20000 лет.
Эти данные позволяют количественно оценивать допустимый смыв при интенсивном антропогенном воздействии. Одновременно они свидетельствуют, как легко можно разрушить эту тонкую «коричневую пленку» и сколько нужно времени, не считая затрат, чтобы восстановить утраченное.
Почвенный покров, являясь неотъемлемым компонентом биосферы, выполняет ряд биосферных, т. е. глобальных с экологических позиций, функций (табл. 6.5). В. Ф. Вальков, К. Ш. Казеев, С. И. Колесников (2004) считают, что этими функциями почв обеспечивается их важнейшая экологическая роль в биосфере, которая сводится к следующим положениям (приводится с некоторыми изменениями автором раздела настоящего учебника):
1) почва является средой обитания, аккумулятором и источником вещества и энергии для организмов суши;
2) почва регулирует состав атмосферы и гидросферы;
3) почва ¾ защитный барьер биосферы (нейтрализует значительную часть загрязняющих биосферу веществ, тем самым предотвращая их поступление в живое вещество);
4) почва обеспечивает малый биогеохимический круговорот веществ на суше и сопряжение его с большим геологическим круговоротом веществ и, тем самым,
5) обеспечивает существование жизни на Земле.
Таблица 6.5
Глобальные функции почв (педосферы)
(Добровольский, Никитин, 1986)
Почва является граничным слоем между атмосферой и биосферной частью литосферы. В нем наблюдается не просто смешение живого и неживого компонентов природы, но и их взаимодействие в рамках почвенной экосистемы. Главное назначение этой экосистемы ¾ обеспечение круговорота веществ в биосфере.
Загрузка...