Учение о биосфере

ЛЕКЦИЯ 4

При внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется”.

Для того чтобы иметь возможность прогнозировать последствия воздействия хозяйственной деятельности человечества на природную среду, следует знать характер взаимодействия животного и растительного мира с неживой природой и изучить “опыт” природных сообществ, которые в течение миллиардов лет своего существования умели избавляться от отходов жизнедеятельности, не загрязняя среду обитания благодаря замкнутому кругообороту вещества.

1. Характеристика и состав биосферы

Экология является наукой, изучающей организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, видов, биоценозов (сообществ), экосистем, биогеоценозов и биосферы. Часто экологию определяют и как науку, которая рассматривает проблемы взаимоотношения человека и биосферы. Иными словами все, что нас окружает и подвергается нашему воздействию, имеет отношение к экологической науке.

При всех огромных размерах земного шара реальная жизнь существует только на его поверхности, в той части Земли, которую называют биосферой. В этом тонком слое земной поверхности взаимодействуют воздух, вода, земля, животный и растительный мир. Все живое на Земле зависит от сохранения целостности биосферы. Что же угрожает биосфере, можно ли защитить ее от разрушений? Чтобы понять это, необходимо, прежде всего, рассмотреть составляющие биосферы, ее живые и неживые компоненты, их сложнейшие взаимодействия, которые поддерживают и уравновешивают биосферу как единое целое.

Характер взаимодействия живой и неживой природы начал всерьез изучаться в конце ХIХ века, когда австрийский геолог Э.Зюсс впервые ввел термин “биосфера”, а русский естествоиспытатель В.И. Вернадский в начале нашего века создал биогеохимию - науку, изучающую роль живого вещества (биоты) в геологических процессах планеты. Современная наука рассматривает биосферу как сложную общепланетарную саморегулирующуюся систему живого вещества (биоты) и неживой материи (экотопа), термодинамически открытую, аккумулирующую и перераспределяющую огромные ресурсы энергии. Под биосферой подразумевают литосферу (слой земной коры глубиной до 3 километров), гидросферу (водную среду, представленную, в основном, мировым океаном), атмосферу (ее нижний слой - тропосферу) и совокупность всех живых организмов (биоту). Все составляющие биосферы играют важную роль в жизненных процессах на Земле, но главным компонентом биосферы все же является живое вещество.

Составляющие биосферы находятся в постоянном взаимодействии и взаимопроникновении. Сущность взаимодействия живых сообществ - обмен веществом, при котором отходы одних популяций используются в пищу другими популяциями. Кроме того, живые организмы являются открытыми системами, постоянно обменивающимися веществом и энергией с окружающей неживой средой. Совокупность взаимодействующих популяций, существующих на ограниченной территории, вместе с используемым неживым веществом образует биогеоценоз (рис.1). В основе биоценоза лежит обмен веществом и энергией между популяциями (на рис.1 обозначен стрелками). Биосфера очень экономно расходует вещество и энергию. Из образующегося в биогеоценозах вещества лишь небольшая часть (доли процента) ежегодно выходят из круговорота в илы и осадки, попадая в медленные геологические циклы.

Атмосфера

Гидросфера Почва,

грунт

ЭКОТОП

БИОГЕОЦЕНОЗ

БИОЦЕНОЗ

Раститель- Животные

ность (фито- (зооценоз)

ценоз)

Микроор-

ганизмы (мик-

робоценоз)

Рис.1. Основные составляющие биосферы

Земная кора – это преобразованные в ходе геологического времени прежние биосферы. Целый ряд минералов земной коры (известняки, мел, фосфориты, нефть, уголь и др.) возникли из тканей погибших организмов. Парадоксальный факт, что сравнительно небольшие живые организмы смогли вызвать явления геологического масштаба, объясняется их высочайший способностью к размножению. Напр., холерный вибрион при благоприятных условиях может создать массу вещества, равную массе земной коры всего за 1,75 суток! Можно предположить, что в биосферах прежних эпох колоссальные массы живого вещества перемещались по планете, образуя в результате гибели запасы нефти, угля и т.п.

Биосфера существует, используя многократно одни и те же атомы. При этом на долю 10 элементов, расположенных в первой половине периодической системы (кислород-29,5%, натрий, магний-12,7%, алюминий, кремний-15,2%, сера, калий, кальций, железо-34,6%) приходится 99% всей массы нашей планеты (масса Земли – 5976*10²¹кг), а 1% на долю остальных элементов. Однако значение этих элементов очень велико - они играют существенную роль в живом веществе.

В.И. Вернадский разделил все элементы биосферы на 6 групп, каждая из которых выполняет определенные функции в жизни биосферы. Первая группа – инертные газы (гелий, криптон, неон, аргон, ксенон). Вторая группа – благородные металлы (рутений, палладий, платина, осмий, иридий, золото). В земной коре элементы этих групп химически малоактивны, их масса незначительна (4,4*10^-4% от массы земной коры), а участие в образовании живого вещества слабо изучено. Третья группа – лантаноиды (14 химических элементов – металлов) составляют 0,02% от массы земной коры и их роль в биосфере не изучена. Четвертая группа – радиоактивные элементы являются основным источником образования внутреннего тепла Земли и оказывают влияние на рост живых организмов (0,0015% массы земной коры). Некоторые элементы пятой группы – рассеянные элементы (0,027% земной коры) – играют существенную роль в жизни организмов (например, йод и бром). Самую большую шестую группу составляют циклические элементы, которые, пройдя ряд превращений в геохимических процессах, возвращаются к исходным химическим состояниям. К этой группе относятся 13 легких элементов (водород, углерод, азот, кислород, натрий, магний, алюминий, кремний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций) и один тяжелый элемент (железо).

Биота в основном состоит из циклических элементов. Особенно велика роль таких элементов, как углерод, азот и водород, процентное содержание которых в биоте выше, чем в земной коре (углерода в 60 раз, азота и водорода в 10 раз). На рисунке приведена схема замкнутого углеродного цикла. Только благодаря круговороту основных элементов в таких циклах (прежде всего углерода) возможно существование жизни на Земле.

Атмосфера

Рис.2 Замкнутый углеродный цикл в биосфере

ГИДРОСФЕРА. Составляет около 4% массы земной коры и ее средняя мощность равна 3,8 км. На массу океанической воды приходится 97% массы всей гидросферы (2*10²¹кг). Роль океана в жизни биосферы огромна: в нем протекают основные химические реакции, обуславливающие производство биомассы и химическую очистку биосферы. Так, за 40 дней поверхностный пятисотметровый слой воды в океане проходит через фильтрационный аппарат планктона, следовательно (с учетом перемешивания) в течение года вся океаническая вода океана подвергается очистке. Все составляющие гидросферы (водяные пары атмосферы, воды морей, рек, озер, ледников, болот, подземные воды) находятся в непрерывном движении и обновлении.

Вода - основа биоты (живое вещество на 70% состоит из воды) и ее значение в жизни биосферы является определяющим. Можно назвать такие важнейшие функции воды, как:

1. производство биомассы;

2. химическая очистка биосферы;

3. обеспечение углеродного баланса;

4. стабилизация климата (вода выполняет роль буфера в тепловых процессах на планете).

Огромное значение мирового океана состоит в том, что он продуцирует своим фитопланктоном почти половину всего кислорода атмосферы, т.е. является своего рода “легкими” планеты. При этом растения и микроорганизмы океана в процессе фотосинтеза усваивают ежегодно значительно большую часть углекислого газа, чем поглощают растения на суше.

Живые организмы океана – гидробионаты – подразделяются на три основные экологические группы: планктон, нектон и бентос. Планктон – совокупность пассивно плавающих и переносимых морскими течениями растений (фитопланктон), живых организмов (зоопланктон) и бактерий (бактериопланктон). Нектон – это группа активно плавающих живых организмов, перемещающихся на значительные расстояния (рыбы, китообразные, тюлени, морские змеи и черепахи, кальмары осьминоги и др.). Бентос – это организмы, обитающие на морском дне: сидячие (кораллы, водоросли, губки); роющие (черви, моллюски); ползающие (ракообразные, иглокожие); свободно плавающие у самого дна. Наиболее богаты бентосом прибрежные районы океанов и морей.

Мировой океан – источник огромных минеральных ресурсов. Уже сейчас из него добывается нефть, газ, 90% брома, 60% магния, 30% поваренной соли и т.д. В океане имеются огромные запасы золота, платины, фосфоритов, окислов железа и марганца, других минералов. Уровень добычи полезных ископаемых в океане постоянно растет.

АТМОСФЕРА –воздушная средавокруг Земли, ее масса около 5,15*10¹⁸ кг. Газовый состав атмосферы следующий: азот (79,09%), кислород (20,95%), аргон (0,93%), углекислый газ (0,03%) и незначительное количество инертных газов (гелий, неон, криптон, ксенон), аммиака, метана, водорода и др. В нижних слоях атмосферы (20 км) содержится водяной пар, количество которого с высотой быстро убывает. Слой озона, предохраняющий живые организмы от вредного коротковолнового излучения, расположен на высоте 20-25 км. Выше 100 км растет доля легких газов, и на очень больших высотах преобладают гелий и водород; часть молекул газов распадаются на атомы и ионы, образуя ионосферу. Давление и плотность воздуха с высотой убывают. В зависимости от распределения температуры атмосферу подразделяют на тропосферу (от +40 до –50^оС на высотах 10-15 км), стратосферу (от –50 до 0^оС на высотах около 50 км), мезосферу (от 0 до –90^оС на высотах 50-55 км), термосферу (от –90 до +1500^оС на высотах 200-300 км) и экзосферу (от нескольких сотен км). Неравномерность нагревания способствует общей циркуляции атмосферы, которая влияет на погоду и климат Земли.

Атмосфера оказывает огромное влияние на биологические процессы на суше и в водоемах. Содержащийся в ней кислород используется в процессе дыхания организмов и при минерализации органического вещества, углекислый газ расходуется в ходе фотосинтеза автотрофными растениями, озон снижает вредное для организмов ультрафиолетовое излучение Солнца. Кроме того, атмосфера способствует сохранению тепла Земли, регулирует климат, воспринимает газообразные продукты обмена веществ, переносит водяные пары по планете и т.д. Без атмосферы невозможно существование сколько-нибудь сложных организмов.

БИОТА - это совокупность всех видов растений, животных и микроорганизмов. Биота является активной частью биосферы, определяющей все важнейшие химические реакции, в результате которых создаются основные газы биосферы (кислород, азот, окись углерода, метан) и устанавливаются между ними количественные соотношения. Биота непрерывно образует биогенные минералы и поддерживает постоянный химический состав океанических вод. Ее масса составляет не более 0,01% от массы всей биосферы и ограничивается количеством углерода в биосфере. Основную биомассу составляют зеленые растения суши – около 97%, а биомасса животных и микроорганизмов – 3%.

Объектом изучения экологии является взаимодействие пяти уровней биоты: живых организмов, популяций, сообществ, экосистем и экосферы.

Живой организм - это любая форма жизнедеятельности. Принято подразделять все организмы на три категории: растения, животные и микроорганизмы.

Популяция - это группа организмов одного вида, проживающих в определенном районе. Примеры популяций: окуни в пруду, грибы белые в лесах, население в отдельной стране или население Земли в целом.

Сообщество (биологическое сообщество) - это несколько популяций, проживающих в одном месте и взаимодействующих друг с другом. Примерами являются все животные, растения и микроорганизмы, проживающие и произрастающие в лесу, пруду, пустыне или аквариуме.

Экосистема - это совокупность различных видов растений, животных и микробов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой таким образом, что вся эта совокупность может сохраняться неопределенно долгое время. Т.е. экосистема представляет собой функциональное единство организмов и окружающей среды. Понятие экосистемы весьма широко. Выделяют микроэкосистемы (напр., ствол гниющего дерева), мезоэкосистемы (лес, река, пруд), макроэкосистемы (море, тундра, пустыня). Границы и объем экосистем - определенная условность, т.к. между ними существует обмен веществом и энергией.

Экосфера - это совокупность всех экосистем Земли.

2. Структура экосистем

Несмотря на огромное многообразие экосистем, с точки зрения экологии всем им свойственна примерно одинаковая биотическая структура. Все экосистемы включают одни и те же основные категории организмов, взаимодействующих друг с другом стереотипным образом: продуценты и консументы.

Продуценты, или автотрофы (самопитающиеся), - это организмы, производящие органические соединения, используемые ими как источник энергии и питательных веществ. Большинство продуцентов -зеленые растения, создающие органические вещества в процессе фотосинтеза. Растения используют солнечную энергию для получения углеводов (глюкозы, крахмала, целлюлозы) из углекислого газа. Т.е. превращают солнечную энергию в энергию химических связей органических веществ. При этом выделяется кислород - побочный продукт фотосинтеза.

6СО₂ + 6Н₂О hv ® C₆H₁₂O₆ + 6O₂

хлорофилл

где h@6,626*10^-34 дж*с - постоянная Планка,

v - частота колебаний, 1/с.

Все углеводы делятся на две группы: простые углеводы (моносахариды, или монозы) и сложные углеводы (полисахариды, или полиозы).

Общая формула моносахаридов C_nH_2nO_n. В природе чаще встречаются пентозы C₅H₁₀O₅ и гексозы C₆H₁₂O₆. Гексозы: глюкоза, фруктоза, галактоза.

Общая формула полисахаридов (C₅H₁₀O₅)_n. Полисахариды: крахмал и целлюлоза (клетчатка).

Общая формула дисахаридов (биозов) C₁₂H₂₂O₁₁. К ним относятся: сахароза (свекловичный или тростниковый сахар), лактоза (молочный сахар), мальтоза (солодовый сахар), целлобиоза и др.

Накопленная химическая энергия, созданная в результате фотосинтеза, является прямым или косвенным источником питания для большинства организмов.

Некоторые продуценты, в основном бактерии, способны поглощать из окружающей среды неорганические соединения и преобразовывать их в органические питательные вещества без солнечного света. Этот процесс наз. хемосинтезом.

Консументы, или гетеротрофы (питающиеся другими) - организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию, питаясь напрямую или косвенно продуцентами.

В зависимости от источников питания консументы, питающиеся живыми организмами, подразделяются на три класса:

- фитофаги (растительноядные) - это консументы 1-го порядка, питающиеся исключительно живыми растениями. Напр., птицы, олени, зайцы, насекомые.

- хищники (плотоядные) - это консументы 2-го порядка, которые питаются исключительно растительноядными животными (фитофагами), а также консументы 3-го порядка, питаются только плотоядными животными.

- эврифаги (всеядные) - могут питаться как растительной, так и животной пищей. Напр., свиньи, крысы, таракана, а также человек.

Консументы, питающиеся остатками мертвых растений или животных, называются редуцентами. Существуют два основных класса редуцентов: детритофаги и деструкторы.

Детритофаги питаются мертвыми растительными и животными остатками, т.е. детритом, напр., грибы, раки, грифы, муравьи, шакалы, черви.

Большая часть мертвой материи в экосистеме, особенно деревья и листья, проходят стадии разложения и гниения, в результате сложные органические соединения делятся на простые неорганические. Это осуществляется деструкторами (грибы и микроскопические одноклеточные бактерии).

Свет Солнца

СО₂ О₂

Неорганическое

вещество Продуценты

Минерализаторы- Живое

деструкторы ганическое

вещество

Мертвое

органическое

вещество

Захороненное Консументы

органическое растительноядные

вещество и плотоядные

Рис.3 Функциональная структура экосистемы и

потоки вещества в ней

3. Пищевые цепи

В биологической структуре экосистем к числу важнейших взаимоотношений между организмами относятся пищевые. Можно проследить бесчисленные пути вещества в экосистеме, при которых один организм поедается другим, тот - третьим и т.д. Ряд таких звеньев называется пищевой цепью. Но в экологической системе практически все пищевые цепи соединены между собой и образуют сложную цепь пищевых взаимоотношений. Продуценты, консументы и редуценты - разные уровни этой общей цепи. Эти уровни называются трофическими, что означает пищевые.

Пищевые цепи - это путь однонаправленного потока высокоэффективной солнечной энергии, поглощенной в процессе фотосинтеза, через живые организмы экосистемы в окружающую среду в виде низкоэффективной тепловой энергии. Пищевые цепи - это также движение питательных веществ от продуцентов к консументам и, далее, к редуцентам и обратно к продуцентам.

Движение энергии в экосистемах осуществляется двумя типами пищевых сетей – пастбищной и детритной. В первой участвуют продуценты и консументы, во второй – редуценты.

Все организмы,пользующиеся одним видом пищи, принадлежат к одному трофическому уровню. Продуценты – к первому уровню, первичные консументы, питающиеся продуцентами, - ко второму трофическому уровню, хищники – к третьему и т.д.

Солнечная энергия по мере прохождения по цепям питания в соответствии со вторым законом термодинамики теряет свое качество, постепенно превращаясь в низкоэффективную тепловую энергию. Энергия, полученная живыми организмами, используется на каждом трофическом уровне для строительства собственной биомассы и на клеточное дыхание, в результате которого органические соединения разлагаются на углекислый газ и воду:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6СО₂ + 6Н₂О + Q

Этим уравнением и уравнением фотосинтеза характеризуется “малый круг” углеродного цикла, являющийся составной частью круговорота элементов в биосфере.

По мере движения энергии по пищевой цепи количество высококачественной энергии снижается. В среднем около 1% энергии высокого качества расходуется на построение собственной биомассы на каждом трофическом уровне и около 10% передается на следующий трофической уровень.

Указанные соотношения известны в экологии, как “ правило одного процента ” и “ правило десяти процентов ”, а схема движения энергии по трофическим уровням получила название экологической пирамиды энергетических потоков. Каждый трофический уровень в ней изображается прямоугольником, у которого длина большей стороны пропорциональна количеству энергии, накопленной на этом уровне единицей объема в единицу времени. Поскольку количество энергии по мере движения по пищевой цепи убывает, экологическая пирамида имеет вид треугольника с вершиной, обращенной вниз.

В экологии известны еще два вида пирамид - пирамиды численностей и биомасс. Пирамиды биомасс характеризуют содержание сухих органических веществ на каждом трофическом уровне. Размер каждого слоя в пирамиде пропорционален сухой массе всех организмов, обитающих на единице площади (объема) каждого уровня определенной экосистемы. Для большинства наземных экосистем суммарная биомасса снижается по мере возрастания трофических уровней, в водных экосистемах биомасса фитопланктона (продуцент) может быть меньше биомассы зоопланктона.

Накопление растениями химической энергии можно считать полезной работой. Скорость, с которой накапливается химическая энергия в биомассе, называется чистой первичной продуктивностью. Она определяется, как разность между скоростью накопления энергии и скоростью использования части этой энергии в процессе клеточного дыхания.

Дата добавления: 2014-01-06