Биосфера экосистема которая образована совокупностью биогеоценозов. Биосфера — экосистема, которая. Круговорот воды в биосфере
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.
План лекции: Определение биосферы. Биосфера и ее части. Концепция живого вещества. Распределение биогеоценозов на земле.
Земля и окружающая ее среда сформировались в результате закономерного развития всей солнечный системы 4,7 миллиарда лет тому назад из раскаленного газопылевого вещества.
По своему строению земля неоднородна и состоит из внутренней и внешней оболочек. Внутренняя ее оболочка – это ядро и мантия, а внешняя оболочка – литосфера (земная кора), гидросфера, атмосфера и биосфера (рис. 22).
Рисунок 22 – Оболочки земли
Литосфера (от греческого «litos»- камень) или земная кора – это каменистая оболочка земли мощностью от 6 (под океаном) до 80 км (под горными системами), сложенная горными народами разного типа и происхождения. Она на 70% образована базальтами и гранитами, примерно на 17% породами, переработанными высоким давлением при высокой температуре и на 12% - осадными пародами.
Земная кора представляет собою важнейший ресурс. В ней сосредоточены месторождения энергетических (каменный уголь, горючий сланец, нефть, газ и др.), рудных (железа, медь, олово, свинец и др.) полезных ископаемых и естественных строительных материалов (песок, известняк, графит и др.); она - местообитание большого разнообразия видов растений, животных, птиц, насекомых, микроорганизмов, бактерий и человека.
Живые организмы проникает до ничтожной глубины, основная масса сосредоточена в верхнем слое почвы до нескольких десятков сантиметров, редко до нескольких метров – корни растений. По трещинам, колодцам, скважинам жизнь может проникать до 2-3 км.
Гидросфера (от греческого «гидро»-вода) – водная оболочка земли. Она включает все виды и формы материковых (поверхностных, почвенных и подземных), океанических (соленых и пресных), и атмосферных; парообразных, жидких и кристаллических вод.
Вода содержит и растворяет в себе многие вещества (натрия, калия, кальция, хлора, серы, углерода, кремния и др.), благодаря своей подвижности проникает повсюду, но она не накапливает энергии и не образует продуктивность.
Гидросферу делят на поверхностную и подземную. Поверхностная гидросфера включает воды океанов, морей, рек, озер, болот, ледников, водохранилищ и др. Она постоянно или временно располагается на поверхности, земли покрывая ее на 70,8%, но не образует сплошного слоя.
Подземной гидросфере относятся воды, находящиеся в верхней части земной коры. Сверху она ограничена поверхностью земли, а нижнюю границу ее проследить невозможно, так как проникает глубоко в толщу земной коры.
Основную часть гидросферы образует мировой океан (96,53%), на долю подземных вод приходится - 1,69%, остальную ее часть составляют воды рек, озер и ледников. Соленые воды океанов и морей составляют 98%, а пресные воды – 2% век водных ресурсов Земли. Основная часть пресных вод сосредоточена в ледниках, пресных вод, пригодных для водоснабжения, приходится всего лишь 0,3% от объема гидросферы.
Вся гидросфера заполнена жизнью - даже на глубине 11 000 м (Марианская впадина)обнаружены следы жизни.
Атмосфера (от греческого «atmos» - пар) – газообразная оболочка земли, состоящая из смеси различных газов (азота, кислорода, углекислого газа, водяных паров и пылевых частиц). На высоте от 10 до 50 км (с максимумом концентрации на высоте 20-25 км), в атмосфере расположен озоновый слой, защищающий землю от ультрафиолетового излучения, пагубного для живых организмов.
Через атмосферу земля осуществляет обмен веществ с космосом. Из космоса она получает мощную солнечную радиацию, определяющую тепловой режим Земли, пыль, метеориты, а отдает – легкие газы – гелий, водород.
Атмосфера механически, физически и химически воздействует на литосферу, регулируя распределение, тепла и влаги. Распределение атмосферой тепла, влаги и давления определяет климат Земли. Так, водяной пар атмосферы поглощает солнечную радиацию, увеличивает плотность воздуха, является источником осадков.
Атмосферу делят на тропосферу, стратосферу, мезосферу и экзосферу. В формировании природной среды Земли важна роль самой нижней части атмосферы – тропосферы мощностью до 8-10 км в полярных областях; 10-12 км в умеренных и 16-18 км в тропических широтах. В тропосфере происходит вертикальное и горизонтальное перемещение воздуха, круговорот воды, теплообмен, перенос пылевых частиц и загрязнения.Жизнью заполнена тропосфера.
С атмосферой связаны все процессы и явления, происходящие в литосфере и гидросфере Земли: образование облаков, осадков, тумана, росы, грозы, пыльные бури, шторм, шквалы, метели, полярное сияние и др.
И все поверхностные (экзогенные) геологические процессы, происходящие в биосфере, обусловлены этими взаимодействиями.
Биосфера (от греческого «bios» - жизнь и «spherа» - шар) наружная оболочка Земли. Термин «биосфера» в научный обиход впервые ввел знаменитый французский ученый Жанн Батист Ламарк (1744-1829 гг.), повторно в 1875 году введен австрийским геологом Эдуардом Зюсс, понимавший под биосферой тонкую пленку на поверхности земли.
Роль биосферы для развития жизни на планете оказалось настолько значительной, что уже в первой половине ХХ - века возникло новое фундаментальное научное направление – учение о биосфере, основоположником которого является российский ученый Владимир Иванович Вернадский, опубликовавши в 1926 году свой классический труд «Биосфера».
Биосферой В.И.Вернадский назвал ту область нашей планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно подвергается или подвергалась воздействию живых организмов.Биосфера – сложная наружная оболочка Земли, населенная организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты.
Ранее, большинство процессов, меняющих лик нашей планеты, рассматривались как чисто физические, химические или физико-химические явления (размыв, растворение, осаждение, гидролиз и т.д.).В.И. Вернадский создал учение о геологической роли живых организмов, показав, что деятельность живых существ является главным фактором преобразования земной коры.
Биосфера, как глобальная экосистема состоит из абиотической и биотической части. Абиотическая ее часть представлена:
1) почвой, и подстилающими ее народами, до глубины, где в них еще есть, живы организмы, вступающие в обмен с веществом этих парод и физической средой порового пространства;
2) атмосферным воздухом до высот, на которых ещё возможно проявление жизни;
3) водной средой океанов, морей, рек и озёр до глубины, где возможна жизнь.
Биотическая часть биосферы включает живых организмов: растений, животных, микроорганизмов, бактерии и др., осуществляющих в процессе жизнедеятельности (питания, размножения, выделения) биогенный круговорот веществ и энергии.Живые организмы осуществляют этот ток атомов благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечивая обмен веществом между всеми частями биосферы.
В основе биогенной миграции атомов в биосфере лежат два биохимических принципа:
Стремление к максимальному проявлению, к «всепроникаемости» жизни;
Обеспечение выживания 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.
Живое вещество – вся совокупность живых организмов. Косное вещество - все геологические образования, не входящие в состав живых организмов и не созданные ими. Биокосное вещество создается в биосфере одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя системы динамического равновесия тех и других (океанические воды, и т. п.; важнейшее значение как биокосное вещество имеет почва). Биогенное вещество - геологические породы, созданные деятельностью живого вещества (известняки, каменный уголь, нефть и т. п.).
В.И. Вернадский считал, что земная кора представляет собой остатки былых биосфер.
Концепция живого вещества . Вернадский подчеркивал, что живое вещество – самая активная форма материи во вселенной.
Жизнь - это химическое производное земной коры. В организмах обнаружены почти все элементы таблицы Менделеева. Средний элементарный состав живого вещества отличается от состава земной коры высоким содержанием углерода.
Свойства и функции живого вещества. Живое вещество, по мнению ученых, составляет 2420 млрд. тонн, что более чем в две тысячи раз меньше самой легкой оболочки Земли атмосферы, но она встречается повсюду, отсутствуя лишь в областях оледенений и в кратерах действующих вулканов. Но, несмотря на незначительную массу, живые вещества, как отмечал В.И.Вернадский, являются основой биосферы, благодаря чрезвычайной химической активности и незаменимой геологической роли.
Живое вещество биосферы, как чрезвычайно активная материя, обладает следующими характерными свойствами:
Способностью быстро занимать свободное пространство, что связано с интенсивным его размножением и увеличением поверхности тела (например, площадь листьев растений, произрастающих на площади 1 га, составляет от 8 до 10 и более га.);
Способностью к движению, при этом не только к пассивному, но и к активному движению (например, полет птицы против ветра, движение рыбы против питания, преодоления силы тяготения и т.д.);
Устойчивостью при жизни и быстрым разложением после смерти (переносит до определенного предела воздействие факторов: температуры, влаги, давления, солености и т. д., быстро разлагается после смерти);
Высокой адаптивностью не только к различным средам жизни: водной, наземно-воздушной и организменной, но и к крайне неблагоприятным условиям среды обитания (например, некоторые микроорганизмы живут в оптимальных условиях с температурой до +140 0 С).
Высокой скоростью протекания реакции (например, гусеницы некоторых насекомых для своей нормальной жизнедеятельности ежедневно потребляют количество пищи в 100-200 раз превышающее веса их тела);
Высокой скоростью обновления. Так, биосфера обновляется за 8 лет, суша за 18 лет, океан за 33 дня. Благодаря подобной скорости обновления, за всю историю существования жизни, общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу в 12 раз превышает массу Земли. Лишь небольшая часть этого вещества законсервирована в виде органических остатков (ушли в геологию – уголь, нефть, сланцы, и др.), остальная же часть включалась в круговорот.
Все свойства живого вещества обусловлены концентрацией в них больших запасов энергии. И по энергетической насыщенности с живым веществом биосферы может соперничать только лава, образующейся при извержении вулкана.
Живое вещество биосферы, обладая только ему присущими свойствами, выполняет в природе следующие функции:
Энергетической, связанной с накоплением энергии в процессе фотосинтеза и передачей ее по цепи питания;
Газовой, благодаря которой живое вещество изменяет и поддерживает определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом (включение углерода в фотосинтез; аккумуляция углерода в биогенном веществе – органических остатках, известняках, что привело к уменьшению двуокиси углерода в атмосфере до современного уровня – 0,3 % и увеличению кислорода; синтезу азота; азот и кислород – газы биогенного происхождения, как и все подземные газы – продукты разложения отмершей органики).
Окислительно-восстановительной, повышающей интенсивность окисления за счет обогащения среды жизни кислородом и восстановления, когда разложение органических остатков (веществ) идет при дефиците кислорода;
Концентрационной, направленной на концентрации в организме живых существ углерода, кальция, кремния, фосфора и рассеянных химических элементов, повышая их содержания по сравнению с окружающей средой (например, по марганцу). Результатом этой функции живого вещества биосферы являются современные запасы энергетических ископаемых, рудных месторождений, птичьих базаров и т. д.;
Деструктивной, разрушающей мертвой органики и косных тел организмами – деструкторами и продуктами их жизнедеятельности (например, грибами, бактериями, микроорганизмами и т. д.);
Транспортной, переносящей веществ и энергии в результате активного движения и перемещения организмов (например, перелет птиц, миграция животных в поисках корма, рыб – для нереста и т.д.);
Средообразующей, изменяющей условий среды обитания организмов в результате их совместной жизнедеятельной (например, микроклимат в лесу);
Рассеивающей, проявляющейся при выделении организмами экскрементов, при передвижении, линьке; при всасывании крови насекомыми – кровососами и т. д.
Роль живого вещества биосферы геохимик А.А. Перельман определил так: «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».
Следует отметить, лишь один-единственный на Земле процесс, который не тратит, а, наоборот, связывает солнечную энергию и даже накапливает ее - это создание органического вещества в результате фотосинтеза.
В связывании и запасании солнечной энергии и заключается основная планетарная функция живого вещества на Земле.
Свойства и устойчивость биосферы. Биосфере, как глобальной экосистеме, кроме перечисленных свойств и функций, присущи свойства, обеспечивающие ее функционирования, саморегуляцию и устойчивость:
1) Биосфера - централизованная система. Центральным ее звеном выступают живые организмы, а не только один человек.
2) Биосфера - открытая система, получающая энергию, необходимую для своей жизнедеятельности извне (от солнца).
3) Биосфера - саморегулирующейся система, обладающая гомеостазом – способностью возвращаться в исходное состояние (извержение вулкана, горообразование, землетрясение и т. д.).
4) Биосфера - система с большим видовым разнообразием организмов, обусловленных разной средой жизни (водной, надземно-воздушной, организменной; разнообразием природных зон с различными условиями среды обитания).
5) Биосфера - система, обеспечивающая круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и соединений. Разнообразие основное условие устойчивости экосистемы и биосферы в целом.
Наиболее высокая плотность жизни в Мировом океане на мелководье, в умеренных, субтропических и тропических поясах на суше; меньшее разнообразие – в холодных полярных и субполярных областях, в засушливых местах и пустынях, на высокогорьях, в океанических впадинах (рис. 23).
Рисунок 23 – Продуктивность различных экосистем земного шара
Распределение биогеоценозов на земле . Формирование и распределение биогеоценозов на земном шаре зависит от условий их существования. Поэтому разные континенты, моря и океаны заселены разными группами организмов.
Классификация природных экосистем базируется на ландшафтном подходе. Ландшафт - природный географический комплекс, в котором все основные компоненты (рельеф, верхние горизонты литосферы, климат, воды, почвы, растительность, животный мир) находятся в сложном взаимодействии, образуя однородную по условиям развития единую систему.
Наземные природные экосистемы:тундра (арктическая и альпийская), бореальные хвойные леса, листопадный лес умеренной зоны, степи, саванны, пустыня, тропический лес.
Основными лимитирующими факторами суши являются среднегодовая температура и количество осадков.
Пресноводные экосистемы подразделяются на: лентические (стоячие водоемы) - озера, пруды, водохранилища; лотические (проточные водоемы) - реки, ручьи; болота.Лимитирующие факторы водной среды: течение, глубина (увеличивается давление, уменьшается прозрачность), температура.
Проточные водоемы имеют две зоны: мелководные перекаты (с быстрым течением); глубоководные плёсы (спокойные реки).
Экосистема непроточного водоема:
В непроточном водоеме выделяют следующие зоны:
Литоральная зона - толща воды, где свет проникает до дна
Лимническая зона - толща воды до глубины, куда проникает 1% солнечного света и где затухает фотосинтез
Профундальная зона - дно и толща воды, куда не проникает солнечный свет.
Каждой из этих зон свойственны свои обитатели и свои сообщества организмов. В зависимости от глубины и строения водоема профундальная зона и литоральная зона могут отсутствовать.
Морские экосистемы: открытый океан, область континентального шельфа (прибрежные воды), эстуарии, глубоководные зоны.
Лимитирующие факторы: соленость, глубина, прозрачность, температура.
Общая характеристика наземных экосистем . Наземные экосистемы - это место обитания человека. В экосистемах суши сосредоточено более 99% биомассы Земли. Большая часть биомассы суши находится в растениях (99,2%). Основными продуцентами (автотрофы) наземных экосистем являются высшие растения (деревья, кустарники, травы), определяющие характерные особенности этих экосистем. Растения поедаются консументами (гетеротрофы) первого порядка, растительноядными животными. Для наземных экосистем характерны крупные растительноядные млекопитающие- олени, антилопы, бизоны, домашний скот. Многие из них относятся к жвачным, обладающим микроэкосистемой - где анаэробные микроорганизмы разрушают и обогащают лигноцеллюлозу, составляющую большую часть растительной биомассы. Консументы первого порядка служат пищей для хищников, консументов второго порядка. Таким образом, на вершине трофической пирамиды наземных экосистем стоят крупные хищники и человек.
Экосистемы суши, впрочем, как и любые экосистемы, можно классифицировать по их функциональным или структурным признакам. Широко используется классификация по типу растительности. Крупные региональные или субконтинентальные биосистемы, связанные с определенным типом растительной формации, ландшафта и географическим положением называют биомом. Понятие «биом» практически соответствует понятию природная зона. Ключевая характеристика, позволяющая разграничивать и узнавать наземные биомы, - жизненная форма (травы, кустарники, листопадные деревья и т.д.) растительности климатического климакса. Так, климаксная растительность степного биома - злаки, хотя в разных частях биома и на разных континентах могут произрастать разные виды злаков. Однако биом включает в себя и эдафические климаксы, и стадии развития, в которых во многих случаях доминируют иные жизненные формы. Например, степные сообщества представляют собой стадии развития лесного биома, а прибрежные леса - составляют часть степного биома. Названия биомов определяются названием преобладающего типа растительности.
Крупнейшим биомом на суше является пустыня, на втором месте биом тропических саванн и степей. Значительная часть суши (10%) вообще не покрыто растительностью - ледяная пустыня. Примерно такие же доли (10%) приходятся на сельскохозяйственные поля, степи умеренной зоны и бореальные леса. Чуть большую часть суши занимают тропические леса (12%). Наименьшую площадь занимает биом средиземноморских степей.
Пустыни - это территория, где испарение превышает количество осадков, причем их уровень составляет менее 250 мм/г. В таких условиях произрастает скудная, обычно низкорослая растительность, преобладание ясной погоды способствует быстрой потере теплоты ночью, накопленной почвой днем. Для пустыней характерно значительное различие между дневной и ночной температурами. Обычно эти территории с низкой плотностью населения, а иногда вообще ненаселенные. Этот термин относится также к районам, неблагоприятным для жизни вследствие холодного климата (т.н. холодные пустыни). Пустынные экосистемы занимают около 16% поверхности суши и расположены практически во всех широтах Земли.
Существует три жизненных формы растений, адаптированных к пустыням: 1) однолетники, избегающие засухи тем, что они растут только при достаточной влажности; 2) суккуленты, такие, как кактусы; 3) пустынные кустарники, у которых многочисленные отходящие от короткого основного ствола ветви несут мелкие толстые листья.
Животные пустыни, как и растения, по-разному адаптированы к недостатку воды. Пресмыкающиеся и некоторые насекомые обладают непроницаемыми покровами и выделяют сухие экскреты. Пустынные насекомые защищены от испарения особыми водонепроницаемыми при высокой температуре веществами. Млекопитающих как группу нельзя считать хорошо адаптированными к условиям пустыни, так как они выделяют мочевину, что связано с потерей большого количества воды. Все же некоторые виды приобрели вторичные адаптации. К таким млекопитающим принадлежат грызуны, например: кенгуровая крыса и карманчиковая мышь. Эти животные могут неопределенно долго существовать на сухих семенах и вовсе не нуждаться в питье.
Тропические саванны (степи с редкими деревьями или группами деревьев) расположены в теплых областях, где в год выпадает большое количество осадков, но имеется один или два продолжительных сухих сезона. Самая обширная область этого типа находится в Центральной и Восточной Африке, но довольно значительные области тропических саванн встречаются также в Южной Америке и Австралии. Растительность состоит из небольшого числа видов.
Ландшафт африканских саванн усеян колючими акациями и другими деревьями и кустарниками, относящимися к семейству бобовых. Часто на больших пространствах доминирует один вид деревьев и злаков.
Африканские саванны не имеют себе равных по численности и разнообразию популяции копытных: многочисленные виды антилоп, зебры и жирафы. Разнообразны птицы, среди которых есть крупные хищники и падальщики (грифы), а также самая крупная из птиц - африканский страус. Среди насекомых много кровососущих, например знаменитая муха цеце. Насекомые наиболее обильны во время влажного сезона, когда гнездится большинство птиц; рептилии же активнее во время сухого сезона. Значительные площади саванн распаханы, здесь выращивают зерновые, хлопчатник, арахис, сизаль, джут, сахарный тростник и другие культуры. В более засушливых местах развито животноводство. Антропогенное воздействие на саванны часто приводит к их опустыниванию.
Степи умеренной зоны расположены там, где выпадает промежуточное между пустынями и лесами количество осадков. Обширные степные пространства занимают внутренние части Евразийского и Североамериканского континентов, юг Южной Америки и Австралию.
Основные типы травянистых сообществ умеренного пояса :
а) Высокотравные и низкотравные прерии - степные равнины Северной Америки, в прошлом покрытые высокотравной растительностью с преобладанием злаков: ковыль, бородач, бизонова трава. Прерии во многом напоминают степи, но протягиваются не в широтном, а в долготном направлении вследствие континентального климата во внутренних частях Канады и США, между Скалистыми горами на западе и смешанными и широколиственными лесами приатлантической части материка на востоке. Прерии распаханы под пшеницу, кукурузу, а на орошаемых землях юга - хлопчатник;
б) Пампы Южной Америки - представляют собой травянистую злаковую растительность на плодородных красновато-черных почвах, формирующихся на вулканических породах. Она состоит из южноамериканских видов тех родов злаков, которые широко распространены в Европе в степях умеренного пояса (ковыля, бородача, овсяницы). С лесами Бразильского нагорья пампа связана переходным типом растительности, близким к лесостепи, где травы сочетаются с зарослями вечнозеленых кустарников. Растительность пампы подверглась наиболее сильному истреблению и в настоящее время почти полностью замещена посевами пшеницы и других культурных растений.
в) Вельды Южной Африки - равнинные луга, расположенные на довольно высоких нагорьях. Вельды простираются до скалистых Драконовых гор.
г) Степи - равнины, поросшие травянистой растительностью, в умеренных и субтропических зонах северного и южного полушария. Характерной особенностью степей является практически полное отсутствие деревьев (не считая искусственных насаждений и лесополос вдоль водоёмов). Климат степных регионов, как правило, находится в диапазоне от умеренно-континентального до континентального и характеризуется очень жарким летом и холодной зимой. Значительная часть степных территорий распахана.
Лесные экосистемы . Сезонные тропические леса, в том числе муссонные леса тропической Азии, произрастают в областях с влажным тропическим климатом, где выражен сухой сезон, во время которого некоторые или все деревья теряют листву. Ключевым фактором здесь являются строгие сезонные колебания в выпадении довольно обильных в течение года осадков. По своему видовому богатству сезонные тропические леса занимают второе место после дождевых лесов. Тропические дождевые леса встречаются в трех главных областях: 1) бассейны Амазонки и Ориноко в Южной Америке и Центральноамериканский перешеек; 2) бассейны Конго, Нигера и Замбези в Центральной и Западной Африке и Мадагаскар; 3) области Индо-Малайская и Борнео - Новая Гвинея. Эти области отличаются друг от друга по видовому составу, но сходны по структуре и экологии лесов. Различия в температуре между зимой и летом выражены не столь сильно, как между ночью и днем. Сезонная периодичность размножения и других жизненных функций растений и животных в значительной степени связана с колебаниями количества осадков или же регулируется внутренними ритмами. Дождевой лес характеризуется очень сильно выраженной ярусностью. Деревья обычно формируют три яруса: 1) редкие очень высокие деревья, которые возвышаются над общим уровнем полога; 2) полог, образующий сплошной вечнозеленый покров на высоте 25-30 м; 3) нижний ярус, который становится густым только там, где имеются просветы. Число видов растений очень велико. Большая доля животных обитает в верхних ярусах растительности. Кроме древесных млекопитающих здесь в изобилии встречаются хамелеоны, игуаны, древесные змей, лягушки и птицы. Важную экологическую роль играют муравьи и прямокрылые, а также бабочки. Основной источник пищи животных в тропических лесах - плоды и термиты.
В горных районах тропиков расположен горный дождевой лес. По мере продвижения в горы лес становится все более низкорослым. Еще одна разновидность дождевого леса встречается вдоль берегов затапливаемых речных долин; это так называемый галерейный лес, или прибрежный лес.
Листопадные леса умеренных широт занимают области с большим количеством распределенных осадков и умеренной температурой, для которой характерны четкие сезонные колебания. Первоначально умеренные листопадные леса покрывали весь восток Северной Америки, всю Европу, часть Японии и Австралии. Животное население первоначальных лесов Северной Америки представлено виргинским оленем, медведем, серой и черной белкой, серой лисицей, рыжей рысью и дикой индейкой.
Листопадные леса умеренной зоны представляют собой наиболее важные биотические области мира, так как именно в этих районах цивилизация достигла наибольшего развития. В результате этот биом сильно изменился под влиянием человеческой деятельности, его большая часть замещена культурными сообществами или сообществами лесных опушек.
Листопадные леса Западной Европы относительно бедны видами. Среди лесов умеренной зоны мира самые богатые видами леса на юге Аппалачей и леса Восточной Азии.
Бореальные хвойные леса (темнохвойная тайга) широким поясом вытянулись через всю Северную Америку и Евразию. Горные районы, занятые таким лесом, встречаются даже в тропиках. Доминирующая жизненная форма представлена здесь хвойными вечнозелеными деревьями, особенно елью, пихтой и сосной. Кустарниковый и травяной ярусы обычно развиты слабо. Семена хвойных служат источником существования многих животных. Как и в тундре, здесь сильно выражены сезонная периодичность и колебания численности многих популяций.
Площадь водных экосистем значительно больше, чем наземных, однако среди них преобладают морские экосистемы, площадь пресноводных экосистем сравнительно невелика.
Особенности водных экосистем:
Биота имеет сравнительно низкое таксономическое разнообразие и представлена в основном водорослями, цианобактериями и низшими животными. Из числа позвоночных существенную роль играют рыбы, реже - млекопитающие, птицы, амфибии и рептилии. Среди продуцентов могут быть макрофиты - сосудистые растения в пресноводных экосистемах, бурые и красные водоросли в морских экосистемах. В составе блока редуцентов - только бактерии;
Пищевые цепи удлинены до 6 звеньев;
Биологическая продукция больше запаса биомассы, так как значительная часть организмов низших трофических уровней живет недолго - дни и недели. Пирамида биомассы имеет форму юлы с максимумом на втором и третьем трофическом уровнях, так как виды растительноядного и плотоядного планктона живут дольше, чем автотрофы-водоросли;
Круговорот элементов питания происходит быстро. Детрит накапливается только в некоторых пресноводных экосистемах, в которых образуется сапропель. Элементы минерального питания в сапропеле консервируются и исключаются из круговорота. В пресноводных экосистемах, исключая такие глубоководные, как озеро Байкал, солнечный свет проходит от поверхности до дна, и потому вся водная толща заселена водорослями-автотрофами. В неглубоких озерах большую роль играют высшие растения - макрофиты, в составе которых различается несколько экологических групп.
Различаются экосистемы эвтрофных и олиготрофных озер. В олиготрофных экосистемах круговорот веществ протекает в основном в водной толще, так как планктонные консументы играют одновременно и роль редуцентов: выделяемый ими фосфор тут же усваивается водорослями. В эвтрофной экосистеме, напротив, значительная часть фитопланктона не усваивается зоопланктоном, оседает на дно и служит пищей детритофагам бентоса. При этом избыточные элементы питания захораниваются в сапропеле, что и вызывает процесс деэвтрофикации водоема.
Морские экосистемы . Различают несколько типов экосистем, соответствующих областям-зонам океана.
Литораль - освобождающаяся от воды во время отлива прибрежная зона. В этих условиях произрастают устойчивые к затоплению и засолению цветковые растения - подорожник морской, астра морская. Животное население литорали представлено большим числом особей моллюсков-литорин, мидий.
Континентальный шельф - зона вдоль берегов до глубины 200 (реже 400) м. С этой областью связаны подводные заросли из ламинарий, достигающих 16 м длины. Эти заросли заселены разнообразными ракообразными, моллюсками, нематодами. Ламинариями питаются морские ежи. С этой зоной связан промысел морской рыбы (сельди, трески, камбалы и др.), ракообразных (крабов, креветок, лангустов) и моллюсков (кальмаров).
Фотический слой пелагиали. Пелагиалью называется толща воды остальной части океана, самая обширная географическая зона планеты, занимающая около 70% площади Мирового океана. Это «пустыня» с низкой биологической продукцией и биомассой. Толщина фотического (светлого) слоя пелагиали во многом определяется географической широтой. В районе экваторая вертикально падающие солнечные лучи пробивают слой воды толщиной 250 м, а в Белом море те же лучи, но падающие под острым углом, способны просветить слой воды не более 25 м. На толщину фотического слоя влияет и фитопланктон, который при массовом развитии может снижать прозрачность воды в 10 раз.
Высокий запас биомассы на континентальном шельфе связан с развитием бурых водорослей, а высокое отношение зоомассы к фитомассе в фотическом слое пелагиали связано с уже отмеченным различием длительности жизни фитопланктона и зоопланктона.
Еще со школьного курса всем знакомы такие понятия, как биосфера и экосистема. Сами по себе понятия отличаются, однако они очень взаимосвязаны. Каким образом? Наша задача - объяснить, почему биосфера является глобальной экосистемой. Для начала вспомним, что же такое экосистема.
Понятие экосистемы. Виды экосистем
Экосистема является такой системой, в которую входит биоценоз и биотоп. Иными словами, это все живые организмы с их местообитанием. Этим уже можно объяснить, почему биосфера является глобальной экосистемой. Все живые организмы, входящие в экосистему, тесно связаны тем, что между ними течет непрерывный обмен веществ. Выделяют две большие группы: это природные экосистемы и агроэкосистемы. Последние отличаются тем, что были созданы благодаря человеку. И та и другая группа имеют схожую структуру. Любая система включает в себя три блока, а именно: продуценты, консументы, редуценты.
Первые создают органическое вещество (зеленые растения), вторые потребляют органическое вещество. Среди них растительноядные, хищники и всеядные. К всеядной группе принято относить и человека. К редуцентам же принято относить различные грибы и бактерии. Разлагая вещества, они переносят их из отмерших остатков вновь в неживую среду. Экосистема является лишь малой частью всего живого на земле. Следует поподробнее объяснить, почему биосфера является глобальной экосистемой.
Биосфера - система всего живого на Земле
Что мы знаем о биосфере? Она связана с понятиями "жизнь" и "шар". Другими словами, биосфера - это оболочка Земного шара, густо заселенная различными организмами, а также в какой-то степени измененная ими. Оболочка Земли сформировалась более 3,5 миллиардов лет назад. В то время еще только начали появляться первые организмы. К биосфере относят гидросферу (водную оболочку), часть литосферы (внешняя сфера) и атмосферы (воздушная оболочка). Другими словами все это можно назвать экологической сферой (экосферой), то есть системой, включающей в себя живые организмы, взаимосвязанные между собой, и их местообитание. В общей сложности в биосфере обитает 3 млн различных организмов. Человек также, несомненно, является частью биосферы.
Итак, биосфера - это в первую очередь система.
Любая система всегда состоит из отдельных элементов. Различные экосистемы имеют взаимосвязь не только внутри себя, но также тесно взаимосвязаны и с другими экосистемами. Между ними, как и внутри даже самой маленькой системы, происходит энергетический обмен, а также обмен веществами. Объединенные экосистемы образуют их круговорот, благодаря которому объединятся в единую глобальную экосистему. Эта глобальная система и называется биосферой. Как это происходит на деле?
Почему биосфера является глобальной экосистемой
Объяснить это можно следующим примером. Если мы возьмем какой-либо из уголков нашей планеты, то обязательно найдем в нем источники жизни. Океаны, верхние области атмосферы, зона вечных снегов - везде есть вода. Следовательно, в любом уголке планеты мы находим жизнь.
Именно так утверждал Чарльз Дарвин. И, конечно, был прав. Населяя самые различные места на планете, живые организмы образуют экосистему. Находясь в ней, все они взаимосвязаны, в первую очередь обменом веществ и энергии. Определенная экосистема круговоротом веществ и энергии взаимосвязана и с другими системами. Те, в свою очередь, тоже. Так и происходит, что множество маленьких экосистем создают одну большую экосистему под названием биосфера.
Биосфера - тоже экосистема
Если объяснить кратко, почему биосфера является глобальной экосистемой, то земная оболочка - это живая сфера, которая включает в себя огромное количество жизненных форм. Таким образом, состоит из отдельных экосистем, а значит, является глобальной системой, нарушение которой грозит жизни на планете.
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 (от греч. bios - жизнь, sphaira - шар) - область системного взаимодействия живого и косного вещества планеты. Она представляет собой глобальную экосистему - совокупность всех биогеоценозов (экосистем) нашей планеты.
Заслуга создания целостности учения о биосфере принадлежит В. И. Вернадскому. Используя этот термины, он создал науку «биосфера», ввел понятие «живое вещество» - совокупность всех живых организмов, а также отвел живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая деятельность организмов не только в настоящее время, но и в прошлом. Поэтому биосфера - это все пространство, где существует или когда-либо существовала жизнь, т. е. где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности.
Жизнь в биосфере зависит от потока энергии и круговорота веществ между биотическим и абиотическим компонентами. Круговороты веществ называются биогеохимическими циклами. Существование этих циклов обеспечивается энергией Солнца. Наглядное представление о путях прохождения энергии дают пищевые цепи. Каждое их звено – это определенный трофический уровень. Первый трофический уровень занимают автотрофы , или продуценты. Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами , третьего – вторичными консументами и т.д. Продуценты – это растения, цианобактерии (сине-зеленые «водоросли») и некоторые другие типы бактерий. Консументы зависят прямо (травоядные) или косвенно (хищники) от величины чистой первичной продукции как источника энергии и веществ. Прохождение энергии через живое вещество представляет собой путь от света к продуцентам, далее к консументам, а от тех и других – к теплу. Этот путь – поток, а не круговорот, поскольку в виде тепла энергия рассеивается в окружающей среде и не может снова использоваться для фотосинтеза. Таким образом, энергетический поток через живое вещество – это процесс потери накопленной организмами энергии. Поддержание динамического равновесия между биотическим и абиотическим компонентами биосферы является необходимым условием существования всех форм жизни. Воздействие человека на биосферу, сопровождающееся ухудшением качества воды, сведением лесов или выбросом в атмосферу загрязняющих веществ, может создать угрозу жизни на Земле Свойства биосферы .
Биосфере, как и составляющим ее другим экосистемам, более низкого ранга, присуща система свойств, которые обеспечивают ее функционирование, саморегулирование, устойчивость и другие параметры. Свойства:
1.Биосфера - централизованная система . Центральным звеном ее выступают живые организмы (живое вещество).
2.Биосфера - открытая система . Ее существование немыслимо без поступления энергии извне. Она испытывает воздействие космических сил, прежде всего солнечной активности.
3. Биосфера - саморегулирующаяся система , для которой, характерна организованность. В настоящее время это свойство называют гомеостазом, понимая под ним способность возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения включением ряда механизмов.
4. Биосфера - система , характеризующаяся большим разнообразием . Это и разные среды жизни (водная, наземно-воздушная, почвенная, организменная); и разнообразие природных зон, различающихся по климатическим, гидрологическим, почвенным, биотическим и другим свойствам; и наличие регионов, различающихся по химическому составу; и, самое главное, объединение в рамках биосферы большого количества элементарных экосистем со свойственным им видовым разнообразием.
5. 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.
структура биосферы .
Биосфера включает в себя:
аэробиосферу - нижнюю часть атмосферы;
гидробиосферу - всю гидросферу;
литобиосферу - верхние горизонты литосферы (твердой земной оболочки).