Основы учения о биосфере

Согласно постулатам учения о биосфере, возможности биосферы и окружающей среды ограничены, а ее ресурсы, жизненное пространство, все составляющие компоненты тесно взаимосвязаны и взаимозависимы.

За 3,5-4,5 млрд лет существования биосфера прошла сложный путь развития, называемый эволюцией. Первым этапом эволюции было возникновение жизни из неживой материи, чему предшествовало образование простых органических соединений из метана, аммиака, водорода и паров воды в условиях высоких температур, ультрафиолетового излучения Солнца и повышенной вулканической деятельности (есть, конечно, и альтернативные гипотезы возникновения жизни).

Один из важнейших этапов эволюции – возникновение первичного круговорота органического вещества. Неравномерное распределение молекул в толще воды привело к более или менее устойчивым полужидким (коллоидным) сгущениям, или коацерватам. Коацерватные капли обладали способностью избирательно поглощать вещества из окружающего раствора и избавляться от ненужных им соединений. Этот момент знаменует собой начало обмена веществ, возникновения процессов переноса энергии и обмена информацией. Затем, с возникновением одноклеточных организмов как индивидуальных живых существ и с последующим развитием многоклеточности, круговорот органического вещества в геосфере преобразовался в биологический круговорот, который заключается в непрерывном обмене веществом и энергией между организмом и средой, в процессах возникновения и разрушения организмов, рождения и смерти.

По меркам эволюции, с начала последнего периода кайнозойской эры – «антропогена» прошел лишь небольшой отрезок времени – около 1,5 млн лет. Возникновение человеческого общества со всеми его особенностями – один из последовательных этапов развития жизни на Земле, т. е. биогенеза.

Жизнь сосредоточена в трех традиционно выделяемых геосферах: атмосфере, гидросфере, в верхних слоях литосферы.

Биосфера подразделяется на аэробиосферу (населенную аэробионтами), гидробиосферу (с гидробионтами) и геобиосферу (населенную геобионтами).

Наиболее продуктивный слой на суше – фитосфера вместе с освещенными слоями гидросферы (ее фотосферой) составляет биофильм, или биокаллиму, т. е. активную пленку жизни. Наряду с фитосферой на поверхности суши вычленяют террабиосферу (с террабионтами). Часть биосферы, находящуюся в глубинах литосферы и в подземных водах, называют литобиосферой (с литобионтами).

Продвигаясь вверх от поверхности земли, выделяют тропобиосферу (слой положительных температур), над которой лежит стратобиосфера (где теоретически могут постоянно находиться живые организмы, главным образом микроорганизмы в виде спор в воздухе). На этом же уровне в горах обитают некоторые пауки и ногохвостки, питающиеся заносимой ветром органикой в эоловой (бесснежной низкотемпературной) зоне в горах. П арабиосфера расположена на высоте от 7 до 80 км – это слой случайного заноса организмов и их спор.

Гидросфера распадается на два системных образования – океанбиосферу (или маринобиосферу) и аквабиосферу.

Экосферу образуют три основные составляющие: биота – живое вещество; абиотические факторы – неживое вещество и факторы, участвующие в обмене веществ биоты или влияющие на него (температура, давление, освещенность и т. п.); косное – неживое вещество, не участвующее в обмене веществ биоты. Косное вещество состоит из собственно косного вещества (минералы) и биокосного вещества – продуктов жизнедеятельности, выбывших из обмена веществ биоты (нефть, каменный уголь, известняки и т. п.).

Все вещества на планете находятся в процессе геобиохимического круговорота. Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

Большой круговорот длится миллионы лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания в конечном итоге попадают в мировой океан, образуя морские осадки, напластования (лишь малая доля из них возвращается снова на сушу с осадками и извлеченными из моря морскими животными и человеком морепродуктами). Крупные медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещения морей и океанов приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу, и процесс начинается снова.

Малый круговорот, как составная часть большого, происходит на уровне биогеоценозов. Он заключается в том, что питательные вещества почвы, вода и углерод аккумулируются в веществе растений и затем расходуются на построение тел и жизненные процессы всех организмов (продуцентов, консументов, редуцентов). Продукты распада органического вещества разлагаются почвенной микрофлорой и мезофауной до минеральных компонентов, доступных для усвоения растениями, и вновь вовлекаются в круговорот веществ.

Круговорот конкретных химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы снова в неорганическую среду с использованием солнечной энергии носит название биогеохимического цикла. К главным циклам относят биогеохимические циклы углерода, воды, азота, фосфора, серы, других биогенных соединений.

Таким образом, глобальная эко- или биосфера распределяется:

1) на подсферы – террабиосфера (экосистема суши), аквабиосфера (экосистема воды), литобиосфера, аэробиосфера;

2) на крупные природно-климатические зоны;

3) в пределах природно-климатических зон выделяются биомы как крупные системно-географические подразделения (например, биом влажных тропических лесов);

4) далее – ландшафты, обусловленные схожим для каждой конкретной территории комплексом абиотических факторов (природно-климатическими особенностями, геологическими условиями и т. п.), которые в свою очередь состоят из биогеоценозов – более или менее локальных участков территории, с установившимися взаимосвязями между окружающими биоту абиотическими факторами и биоценозами. Как правило, биогеоценозы характеризуются «стремлением» или тенденцией увеличения замкнутости круговорота веществ внутри себя, но это общая тенденция, а реальная степень замкнутости круговорота веществ варьирует, то есть изменяется в широких пределах и никогда не достигает 100%. Размеры биогеоценозов имеют очень большую изменчивость – они могут занимать значительные территории на однородных участках местности. Мы уже приводили пример: спускаясь с вершины водораздела на дно оврага к ручью, можно пересечь границы нескольких различных биогеоценозов, так как по пути произойдет существенная смена условий водного режима, освещенности, типов почв.

Формирование и распределение биогеоценозов (биоакваценозов) на Земле зависят от условий их существования. Основные экосистемы:

1. Моря – наиболее густо, но неравномерно заселенные биогеоценозы. Средняя продуктивность океана 0,1-0,5 г/м², литоралий – 0,5-3 г/м², а эстуариев и коралловых рифов – до 20 г/м² в сутки. Основу высокой продуктивности эстуариев и прибрежных морских вод составляют интенсивная циркуляция питательных веществ и конечных продуктов обмена из-за постоянных приливов-отливов; постоянный привнос питательных элементов с суши; высокая круглогодичная первичная продукция.

2. Ручьи и реки – особые биогеоценозы, в которых организмы приспособлены к существованию на течении. Источником значительной части энергии и питательных веществ в них служат органические вещества, поступающие с суши.

3. Озера и пруды – им свойственна четкая зональность и стратификация; подразделяются на олиготрофные (малопродуктивные) и эвтрофные (высокопродуктивные). Средняя продуктивность 0,5-3 г/м².

4. Пустыни – соответствующие биогеоценозы формируются в районах с выпадением осадков менее 250 мм в год, а также в районах с жарким климатом и нерегулярно выпадающими осадками. Продуктивность – менее 0,1-0,5 г/м² в сутки.

5. Тундра – ведущим фактором, управляющим этими биогеоценозами, является тепло. При достаточно низкой средней продуктивности (это своеобразные арктические пустыни) в период короткого лета у растений наблюдается относительно высокий темп продуктивности, ориентировочно 0,5-1,2 г/м² в сутки.

6. Травянистые ландшафты – степные биогеоценозы со средним годовым количеством осадков 250-750 мм (в саванах осадков может быть и больше). Продуктивность 0,5-3 г/м² в сутки.

7. Леса – обладают огромным разнообразием растений и животных, являются наиболее устойчивыми экосистемами. Продуктивность влажных лесов достигает 10 г/м² в сутки.

Из-за часто встречающейся у студентов путаницы понятий несколько более подробно опишем степи и луга.

Степь как специфический тип растительности образована многолетними микротермными ксерофильными (морозо- и засухоустойчивыми) травянистыми растениями, главным образом дерновинными злаками (ковыль, типчак и т. д.). Приурочены главным образом к различным типам черноземов и темно-каштановых почв. В лесостепной зоне луговые степи на черноземах, деградированных черноземах и серых лесных почвах; пустынные степи преимущественно связаны с светло-каштановыми почвами. Луговые степи отличаются от степей типичных преобладанием менее засухоустойчивых (мезоксерофильных) степных растений со значительным участием ксеромезофильных растений, общих с суходольными лугами. Пустынные степи отличаются господством эвксерофильных растений с большим участием ксерофильных пустынно-степных полукустарничков.

Сплошного задернения в степях нет, между дерновинами злаков имеются пятна голой почвы, где весной развиваются эфемеры и эфемероиды – тюльпаны, гусиный лук и др.

Луг как специфический тип растительности представлен естественными или искусственными сообществами многолетних трав – мезофитов (т.е. трав, требующих почв умеренно влажных, достаточно теплых и богатых). Луга связаны множеством переходных типов со степными (луговая степь), пустынными, болотными, водными и лесными сообществами.

По местоположению различают равнинные и горные луга, среди тех и других – луга пойменные и луга материковые (вне пойменных террас). Материковые делятся на суходольные (увлажняемые только атмосферными осадками), и низинные (грунтового увлажнения). Средняя производительность лугов – от 10-15 ц/га (менее 1 г/м² в сутки) для суходольных до 20-25 ц/га для низинных. Производительность пойменных лугов – до 30-40 ц/га и выше.

Таким образом, основной функцией живого вещества в природе является усвоение из окружающей среды элементов абиотической среды, химических элементов, энергии в виде солнечного излучения (существуют немногочисленные виды, использующие другие виды энергии), формирование биомассы и рассеивание поглощенной энергии Солнца в виде тепла. В ходе усвоения и рассеивания солнечной энергии и преобразования минерального состава земной коры произошла глубокая специализация живых организмов по месту, занимаемому в трофических (т. е. пищевых) цепях, типам занимаемых ими экологических ниш.

Дата добавления: 2014-11-29