Биосфера как экологическая система. Состав биосферы как глобальной экосистемы Биосфера как и любая экосистема

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.

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).

Экосистема – это система, состоящая из живых существ и среды их обитания объединенных в единое функциональное целое.

Основные свойства:

1) способность осуществлять круговорот веществ

2) противостоять внешним воздействиям

3) производить биологическую продукцию

Виды экосистем:

1) микроэкосистемы (ствол дерева в стадии размножения, аквариум, небольшой водоем, капля воды и т. д.)

2) мезоэкосистема (лес, пруд, степь, река)

3) макроэкосистема (океан, континент, природная зона)

4) глобальная экосистема (биосфера в целом)

Ю. Одум предложил классификацию экосистемы на основе биомов. Это крупные природные экосистемы соответствующие физико-географическим зонам. Характеризуется каким – либо основным типом растительности или другой характерной особенностью ландшафта.

Типы биомов

1) наземные (тундра, тайга, степи, пустыни)

2) пресноводные (текучие воды: реки, ручьи, стоячие воды: озера, пруды, заболоченные воды: болота)

3) морские (открытый океан, воды шельфа, глубоководные зоны)

Понятие биогеоценоз и экосистема близки, но есть различия. Любой биогеоценоз это система. Экосистема может включать несколько биогеоценозов, но не каждая экосистема, есть биогеоценоз, поскольку не обладает всеми признаками его.

В экосистеме можно выделить два компонента - биотический и абиотический . Биотический делится на автотрофный (организмы, получающие первичную энергию для существования из фото- и хемосинтеза или продуценты) и гетеротрофный (организмы, получающие энергию из процессов окисления органического вещества - консументы и редуценты) компоненты, формирующие трофическую структуру экосистемы.

Единственным источником энергии для существования экосистемы и поддержания в ней различных процессов являются продуценты, усваивающие энергию солнца, (тепла, химических связей) с эффективностью 0,1-1 %, редко 3-4,5 % от первоначального количества. Автотрофы представляют первый трофический уровень экосистемы. Последующие трофические уровни экосистемы формируются за счёт консументов (2-й, 3-й, 4-й и последующие уровни) и замыкаются редуцентами, которые переводят неживое органическое вещество в минеральную форму (абиотический компонент), которая может быть усвоена автотрофным элементом.

Основные компоненты экосистемы

С точки зрения структуры в экосистеме выделяют:

1.климатический режим, определяющий температуру, влажность, режим освещения и прочие физические характеристики среды;

2.неорганические вещества, включающиеся в круговорот;

3.органические соединения, которые связывают биотическую и абиотическую части в круговороте вещества и энергии:

Продуценты - организмы, создающие первичную продукцию;

Макроконсументы, или фаготрофы, - гетеротрофы, поедающие другие организмы или крупные частицы органического вещества;

Микроконсументы (сапротрофы) - гетеротрофы, в основном грибы и бактерии, которые разрушают мёртвое органическое вещество, минерализуя его, тем самым возвращая в круговорот.

Последние три компонента формируют биомассу экосистемы.

С точки зрения функционирования экосистемы выделяют следующие функциональные блоки организмов (помимо автотрофов):

биофаги - организмы, поедающие других живых организмов,

сапрофаги - организмы, поедающие мёртвое органическое вещество.

Данное разделение показывает временно-функциональную связь в экосистеме, фокусируясь на разделении во времени образования органического вещества и перераспределении его внутри экосистемы (биофаги) и переработки сапрофагами. Между отмиранием органического вещества и повторным включением его составляющих в круговорот вещества в экосистеме может пройти существенный промежуток времени, например, в случае соснового бревна, 100 и более лет.

Все эти компоненты взаимосвязаны в пространстве и времени и образуют единую структурно-функциональную систему.

Термин биосфера был введён Жаном-Батистом Ламарком в начале XIX века, а в геологии предложен австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1875 году. Однако создание целостного учения о биосфере принадлежит русскому учёному Владимиру Ивановичу Вернадскому.

Биосфера - экосистема высшего порядка, объединяющая все остальные экосистемы и обеспечивающая существование жизни на Земле. В состав биосферы входят следующие «сферы»:

Атмосфера - это самая лёгкая из оболочек Земли, граничит с космическим пространством; через атмосферу происходит обмен вещества и энергии с космосом (внешним пространством).

Гидросфера - водная оболочка Земли. Почти такая же подвижная, как и атмосфера, она фактически проникает всюду.Вода - соединение с уникальными свойствами, одна из основ жизни, универсальный растворитель.

Литосфера - внешняя твёрдая оболочка Земли, состоит из осадочных и магматических пород. На данный момент под земной корой понимается верхний слой твёрдого тела планеты, расположенный выше границы Мохоровичича.

Биосфера тоже не замкнутая система, она фактически полностью обеспечивается энергией Солнца, небольшую часть составляет тепло самой Земли. Ежегодно Земля получает от Солнца около 1,3·1024 калорий. 40 % от этой энергии излучается обратно в космос, около 15 % идёт на нагрев атмосферы, почвы и воды, вся остальная энергия является видимым светом, который и является источником фотосинтеза.

В. И. Вернадский впервые чётко сформулировал понимание того, что всё живое на планете неразрывно связанно с биосферой и обязано ей своим существованием:

В. И. Вернадский

Живое вещество (совокупность всех организмов на Земле) составляет ничтожно малую часть от массы Земли, однако влияние живого вещества на процессы преобразования Земли огромно. Весь тот облик Земли, который наблюдается сейчас, не был бы возможен без миллиардов лет жизнедеятельности живого вещества.

На данный момент сам человек, как часть живого вещества, является существенной геологической силой и значительно изменяет направления процессов, происходящих в биосфере, тем самым ставя под угрозу своё существование:

В ярком образе экономист Л. Брентано иллюстрировал планетную значимость этого явления. Он подсчитал, что, если бы каждому человеку дать один квадратный метр и поставить всех людей рядом, они не заняли бы даже всей площади маленького Боденского озера на границе Баварии и Швейцарии. Остальная поверхность Земли осталась бы пустой от человека. Таким образом, всё человечество, вместе взятое, представляет ничтожную массу вещества планеты. Мощь его связана не с его материей, но с его мозгом, с его разумом и направленным этим разумом его трудом. В гуще, в интенсивности и в сложности современной жизни человек практически забывает, что он сам и всё человечество, от которого он не может быть отделён, неразрывно связаны с биосферой - с определённой частью планеты, на которой они живут. Они - геологически закономерно связаны с её материально-энергетической структурой. Человечество, как живое вещество, неразрывно связано с материально-энергетическими процессами определённой геологической оболочки Земли - с её биосферой. Оно не может физически быть от неё независимым ни на одну минуту. Лик планеты - биосфера - химически резко меняется человеком сознательно и главным образом бессознательно. Меняется человеком физически и химически воздушная оболочка суши, все её природные воды.

В. И. Вернадский.

Искусственные экосистемы

Пашня - типичная искусственная экосистема, неразрывно соседствует с естественным лугом

Искусственные экосистемы - это экосистемы, созданные человеком, например, агроценозы, природно-хозяйственные системы или Биосфера 2.

Искусственные экосистемы имеют тот же набор компонентов, что и естественные: продуценты, консументы и редуценты, но есть существенные отличия в перераспределении потоков вещества и энергии. В частности, созданные человеком экосистемы отличаются от естественных следующим:

меньшим числом видов и преобладанием организмов одного или нескольких видов (низкая выравненность видов);

невысокой устойчивостью и сильной зависимостью от энергии, вносимой в систему человеком;

короткими цепями питания из-за небольшого числа видов;

незамкнутым круговоротом веществ вследствие изъятия урожая (продукции сообщества) человеком, тогда как естественные процессы наоборот стремятся включить в круговорот как можно большую часть урожая

Без поддержания энергетических потоков со стороны человека в искусственных системах с той или иной скоростью восстанавливаются естественные процессы и формируется естественная структура компонентов экосистемы и вещественно-энергетических потоков между ними.

Биосфера является глобальной экосистемой. Как уже было отмечено ранее, биосфера расчленена на геобиосферу, гидробиосферу и аэробиосферу. Геобиосфера имеет подразделения в соответствии сосновными средообразующими факторами: террабиосфера и литобиосфера-в пределах геобиосферы, маринобиосфера (океа-нобиосфера) и аквабиосфера - в составе гидробиосферы. Данные образования называют подсферами. Ведущим средообразующим фактором в их образовании является физическая фаза среды жизни: воздушно-водная в аэробиосфере, водная (пресноводная и солено-водная) в гидробиосфере, твердо-воздушная в террабиосфере и твер-доводная в литобиосфере.

В свою очередь, все они распадаются на слои: аэробиосфера - на тропобиосферу и альтобиосферу; гидробиосфера - на фотосферу, дисфотосферу и афотосферу.

Структурообразующие факторы здесь, помимо физической среды, энергетика (свет и тепло), особые условия формирования и эволюции жизни - эволюционные направления проникновения биоты на сушу, в ее глубины, в пространства над землей, бездны океана, несомненно, различны. Вместе с апобиос-ферой, парабиосферой и другими под- и надбиосферными слоями они составляют так называемый «слоеный пирог жизни» и геосферы (экосферы) ее существования в пределах границ мегабиосферы (рис. 12.40).

Рис. 12.40. Протяженность биосферы по вертикали и соотношение

поверхностей, занятых основными структурными единицами

(по Ф. Рамаду, 1981)

Перечисленные образования в системном отношении - это крупные функциональные части фактически общеземной или субпланетарной размерности. Общая иерархия подсистем биосферы представлена на рис. 12.41.

Рис. 12.41. Иерархия экосистем биосферы (по Н. Ф. Реймерсу, 1994)

Ученые считают; что в биосфере имеется восемь - девять уровней относительно самостоятельных круговоротов веществ в пределах взаимосвязей семи основных вещественно-энергетических экологических компонентов и восьмого - информационного (рис. 12.42).

Рис. 12.42. Экологические компоненты (по Н. Ф. Реймерсу, 1994)

Глобальные, региональные и местные круговороты веществ незамкнуты и в рамках иерархии экосистем частично «пересекаются». Это вещественно-энергетическое, а отчасти и информационное «сцепление» обеспечивает целостность экологических надсистем вплоть до биосферы в целом.

Общие закономерности организации биосферы. Биосферу формируют в большей степени не внешние факторы, а внутренние закономерности. Важнейшим свойством биосферы является взаимодействие живого и неживого, нашедшего отражение в законе биогенной миграции атомов В. И. Вернадского, и рассмотрено нами в разделе 12.6.

Закон биогенной миграции атомов дает возможность человечеству сознательно управлять биогеохимическими процессами как в целом на Земле, так и в ее регионах.

Количество живого вещества в биосфере, как известно, не подвержено заметным изменениям. Эта закономерность была сформулирована в виде закона константности количества живого вещества В. И. Вернадского: количество живого вещества биосферы для данного геологического периода есть константа. Практически данный закон является количественным следствием закона внутреннего динамического равновесия для глобальной экосистемы - биосферы. Поскольку живое вещество в соответствии с законом биогенной миграции атомов есть энергетический посредник между Солнцем и Землей, то или его количество должно быть постоянным, или должны меняться его энергетические характеристики. Закон физико-химического единства живого вещества (все живое вещество Земли физико-химически едино) исключает значительные перемены в последнем свойстве. Отсюда для живого вещества планеты неизбежна количественная стабильность. Она характерна в полной мере и для числа видов.

Живое вещество как аккумулятор солнечной энергии должно одновременно реагировать как на внешние (космические) воздействия, так и на внутренние изменения. Снижение или увеличение количества живого вещества в одном месте биосферы должно приводить к процессу с точностью наоборот в другом месте, потому что освободившиеся биогены могут быть ассимилированы остальной частью живого вещества или будет наблюдаться их недостаток. Здесь следует учитывать скорость процесса, в случае антропогенного изменения намного более низкую, чем прямое нарушение природы человеком.

Помимо константности и постоянства количества живого вещества, нашедшего отражение в законе физико-химического единства живого вещества, в живой природе наблюдается постоянное сохранение информационной и соматической структуры, несмотря на то» что она и несколько меняется с ходом эволюции. Данное свойство было отмечено Ю. Голдсмитом (1981) и получило название закона сохранения структуры биосферы - информационной и соматической, или первого закона экодинамики. .

Для сохранения структуры биосферы живое стремится к достижению состояния зрелости или экологического равновесия. Закон стремления к климаксу - второй закон экодинамики Ю. Голдсмита, относится к биосфере и другим уровням экологических систем, хотя и имеется специфика - биосфера более закрытая система, чем ей подразделения. Единство живого вещества биосферы и гомологич-ность строения ее подсистем приводят к тому, что сложно переплетены эволюционно возникшие на ней живые элементы различного геологического возраста и первоначального географического происхождения. Переплетение различных по пространственно-временному генезисуалементов во всех экологических уровнях биосферы отражает правило или принцип гетерогенеза живого вещества. Данное сложение не является хаотичным, а подчинено принципам экологической дополнительности (комплементарности), экологического соответствия (конгруэнтности) и другим закономерностям. В рамках экодинамики Ю. Голдсмита это третий ее закон - принцип экологического порядка, или экологического мутуализма, указывающий на глобальное свойство, обусловленное влиянием целого на его части, обратного воздействия дифференцированных частей на развитие целого и т. п., которое в сумме ведет к сохранению стабильности биосферы в целом.

Взаимопомощь в рамках экологического порядка, или системный мутуализм, утверждается законом упорядоченности заполнения пространства и пространственно-временной определенности: заполнение пространства внутри природной системы из-за взаимодействия между ее подсистемами упорядочено так, что позволяет реализоваться гомеостатическим свойствам системы с минимальными противоречиями между частями внутри ее. Из данного закона следует невозможность длительного существования «ненужных» природе случайностей, включая и чуждые ей.создан-ные человеком. В число правил мутуалистического системного порядка в биосфере входит и принцип системной дополнительности, который гласит, что подсистемы одной природной системы в своем развитии обеспечивают предпосылку для успешного развития и саморегуляции других подсистем, входящих в ту же систему.

К четвертому закону экодинамики Ю. Голдсмита относят закон самоконтроля и саморегуляции живого: живые системы и системы под управляющим воздействием живого способны к самоконтролю и саморегулированию в процессе их адаптации к изменениям в окружающей среде. В биосфере самоконтроль и саморегуляция происходят в ходе каскадных и цепных процессов общего взаимодействия - в ходе борьбы за существование естественного отбора (в самом широком смысле этого понятия), адаптации систем и подсистем, широкой коэво-люции и т.д. При этом все эти процессы ведут к положительным «с точки зрения природы» результатам - сохранению и развитию экосистем биосферы и ее как целого.

Связующим звеном между обобщениями структурного и эволюционного характера служит правило автоматического поддержания глобальной среды обитания: живое вещество в ходе саморегуляции и взаимодействия с абиотическими факторами автодинамически поддерживает среду жизни, пригодную для ее развития. Данный процесс ограничен изменениями, космического и общеземного экосферного масштаба и происходит во всех экосистемах и биосистемах планеты, как каскад саморегуляции, достигающей глобального размаха. Правило автоматического поддержания глобальной среды обитания следует из биогеохимических принципов В. И. Вернадского, правил сохранения видовой среды обитания, относительной внутренней непротиворечивости и служит константой наличия в биосфере консервативных механизмов и одновременно подтверждением правила системно-динамической комплементарности.

О космическом воздействии на биосферу свидетельствует закон преломления космических воздействий: космические факторы, оказывая воздействие на биосферу и особенно ее подразделения, подвергаются изменению со стороны экосферы планеты и потому по силе и времени проявления могут быть ослаблены и сдвинуты или даже полностью утерять свой эффект. Обобщение здесь имеет значение в связи с тем, что зачастую идет поток синхронного воздействия солнечной активности и других космических факторов на экосистемы Земли и населяющие ее организмы (рис. 12.43).

Следует отметить, что многие процессы на Земле и в ее биосфере хотя и подвержены влиянию космоса и предполагаются циклы солнечной активности с интервалом в 1850, 600,400, 178, 169,88,83,33,22,16, 11,5(11,1), 6,5 и 4,3 года, сама биосфера и её подразделения не обязательно во всех случаях должны реагировать с той же цикличностью. Космические воздействия системы биосферы могут блокировать нацело или частично.

Рис. 12.43. Пути космического влияния на биосферу

Деятельность человека и

Эволюция биосферы

Э. И. Колчинский (1988) в эволюции биосферы выделяет следующие тенденции: постепенное увеличение общей ее биомассы и продуктивности; прогрессивное накопление аккумулированной солнечной энергии в поверхностных оболочках Земли; увеличение информационной емкости биосферы, проявляющейся в нарастающем росте органических форм, увеличении числа геохимических барьеров и возрастании дифференцированности физико-географической структуры биосферы; усиление некоторых биогеохимических функций живого вещества и появление новых функций; усиление преобразующего воздействия жизни на атмосферу, гидросферу, литосферу и увеличение роли живого вещества, продуктов его жизнедеятельности в геологических, геохимических и физико-географических процессах; расширение сферы действия биологического (биотического) круговорота и усложнение его структуры. Несомненно, к этому перечню необходимо отнести трансформирующее воздействие на биосферу человеческой деятельности, не исключая нисходящую ветвь эволюции биосферы - все эволюционирующие системы не являются бессмертными, а имеют «начало» и «конец» своего существования. Так, если в эволюции живого вещества имеется непрерывный поток генетической информации, а в геноме человека есть гены от всего ряда его предков, то в составе биосферы имеются виды различного географического возраста - «эиогеноэлементы», или «биоэлементы», экосистем. Происходит эволюционная замена данных экогеноэ-лементов (биоэлементов), иногда в региональных рамках полная замена, с исчезновением предшественников.

Не могло не изменить естественных процессов массовое истребление человеком растений и животных, к примеру, плиоценовое исчезновение крупных животных, по всей вероятности, происходило не только из-за прямого преследования, но и в результате нарушения цепей питания, в целом пищевых сетей, что вело к преобразованию экосистем. Современное уничтожение видов, которое идет намного быстрее, чем во времена плиоценового перепромысла, должно вести и ведет к процессам, обратным к названным Э. И. Колчинским - снижается биомасса, продуктивность и информационность биосферы, меняется характер аккумуляции солнечной энергии в поверхностных оболочках планеты и т. п. Отсюда закономерности эволюции биосферы необходимо рассматривать как в прогрессивном, так и в регрессивном плане.

Как нам уже известно, эволюция живого началась с возникновения форм преджизни, а в дальнейшем и праорганизмов (рис. 12.44).

Рис. 12.44. Последовательность этапов симбиогенетического

происхождения клеток эукариот, наложенная на

родословное древо клеточных (кариот)

Примечание: показана неоднократность этапов симбиогенеза клетки эукариот

С этого геологического времени начал действовать принцип Реди: живое происходит только от живого, между живым и неживым веществом существует непроходимая граница, несмотря на то, что имеется постоянное взаи-модействие. В дальнейшем данное обобщение было заново сформулировано В. И. Вернадским в 1924 г. Именно этот принцип служит подоснов Д вой сложения экосистем в рамках таких закономерностей, как разграничение между живым и неживым. Взаимосвязь между ними формирует дополнительность и соответствие внутри биотического сообщества и связь биотоп - биоценоз.

В реальной эволюции принцип Реди проявляется весьма многообразно-способы видообразования, сложения био-, экобио- и экосистем многочисленны, хотя и подчиняются общим законам биологической микро- и макроэволюции, а также экогенез. На разных этапах развития биосферы процессы в ней не были одинаковыми, несмотря на то что шли по аналогичным схемам. Наличие ярко выраженного круговорота веществ, согласно закону глобального замыкания биогеохимического круговорота, является обязательным свойством биосферы любого этапа ее развития. Вероятно, это непреложный закон ее существования. Следует особо обратить внимание т увеличение доли биологического, а не геохимического, компонента в замыкании биогеохимического круговорота веществ. Ныне существующий тип биогеохимического обмена, состоящий из автотрофов-процудентов, гете-ротрофов-консументов и гетеротрофов-редуцентов со все большим ростом управляющего значения среднего звена, практически сложился в середине мелового периода. Если на первых этапах эволюции преобладал общебиосферный цикл - большой биосферный круг обмена (сначала только в пределах водной среды, а затем разделенный на два подцикла - суши и океана), то в дальнейшем он стал дробиться. Вместо относительно гомогенной биоты появились и все глубже дифференцировались экосистемы различного уровня иерархии и географической дислокации. Приобрели важное значение малые, биогеоценотические, обменные круги. Возник так называемый «обмен обменов» - стройная система биогеохимических круговоротов с высочайшим значением биотической составляющей.

Деятельность человека ведет к гомогенизации систем биосферы. Все больше «стираются» элементарные экосистемы, превращаясь в «монотонные» агросистемы, однообразные по биогеохимическим характеристикам культурные ландшафты. При этом снижается степень замкнутости биогеохимических циклов. Вероятно, в этом заключается секрет накопления в биосфере, и в первую очередь в атмосфере, малых газовых примесей, выброса тех веществ, которые, естественно, образуются в меньшем количестве и обычно ранее утилизировались биотой практически полностью. Чем больше организмы воздействовали на среду биосферы, тем интенсивнее шла эволюция. Этот принцип максимума эффекта внешней работы, закон саморазвития биосистем или закон исторического развития биологических систем, был сформулирован в 1935 г. Э. Бауэром: развитие биологических систем является результатом увеличения их внешней работы - воздействия этих систем на окружающую среду.

Физико-математическое подтверждение вышеназванных обобщений дает теорема порога возрастания энтропии в биосфере, или теорема К. С. Тринчера, выведенная в 1964 г., - продукция энтропии живым веществом биосферы возрастает до порога, определяемого уравнением:

, (12.9)

где t - абсолютное время;

r - единица биологического (системно характерного)времени;

S sp - специфическая энтропия одного вида живого,

е - основание натурального логарифма.

Важно здесь то, что минимум энтропии возникает при неравномерном распределении веществ в системе. Человеческая деятельность нарушает эту неравномерность, делает живое вещество гомогенным или даже, образно говоря, сдирает «живую кожу» с лика Земли, видоизменяет энтропийные и негэнтропийные процессы.

Антропогенное воздействие на окружающую среду оказалось деструктивным. Эволюция вынуждена идти экстенсивно, под воздействием внешних факторов, с темпом, диктуемым не ходом естественных явлений, а трансформацией природы человеком. Закон исторического развития биосистем работает не в полной мере или совсем не работает в силу того, что роль биотического воздействия на среду относительно снизилась. Преобладает преобразующая деятельность человека (рис. 12.45).

Рис. 12.45. Воздействие человека на природу на разных

стадиях развития производства:

I - период до времени использования огня; II - период со времени использования огня, появления и совершенствования примитивных орудий труда (100-10 тыс. лет до н. э.); III - период становления и развития земледелия и скотоводства (10 тыс. лет до н. э. - XIV в.); IV - период развития ремесел, появления и роста мануфактуры, расширения сельскохозяйственного производства (XV-XVIII вв.); V - период машинной индустрии, развития различных отраслей хозяйств (XIX в. - 1-я половина XX в.); VI - период научно-технической революции (2-я половина XX в.)

Здесь вслед за прямым уничтожением видов следует ожидать самодеструкции живого. Этот процесс фактически и идет в виде массового размножения отдельных организмов, разрушающих сложившиеся экосистемы. Насколько такое положение опасно для биосферы? Все зависит от темпов изменений. Следует учесть, что эволюция биосферы не была равномерной (рис. 12.46), и, несмотря на увеличение степени совершенства биогеохимического круговорота, этот процесс не шел гладко.

Рис. 12.46. Спираль времени

Закрученная в спираль лента графически изображает 4,5 млрд лет истории Земли. Отсчет времени начинается (нижний конец ленты) с формирования нашей планеты. Стрелками указаны ключевые моменты в эволюции жизни, обнаруживающие относительную молодость млекопитающих как целостной группы, не говоря уже о человеке, время существования которого - 1 млн лет или около того – указано на самом верху ленты. Одно деление нанесенной на ленте шкалы соответствует приблизительно 4,5 млн лет

Сегодня известны эволюционные катастрофы, происшедшие на нашей планете. Например, 650 млн лет назад эволюционно-экологический кризис привел к «внезапному» исчезновению многих видов одноклеточных водорослей. На рубеже 450 млн лет назад вымерло большинство панцирных обитателей океана, 230 млн лет назад исчезли многие виды гигантских амфибий, и, по эволюционным меркам, сравнительно быстро - 65 млн лет назад-вымерли гигантские рептилии и многие виды других групп организмов. Взгляды ученых на вымирание живых организмов неоднозначны. Так, вымирание гигантских рептилий связывают с похолоданием, прошедшим на Земле в результате падения огромного метеорита-астероида (предполагается, что он образовал крупнейший метеоритный кратер на территории современной Мексики). Похолодание привело к срыву инкубации яиц рептилий, а также могло дать преимущества для эволюции ночных групп животных и привести к исчезновению особо теплолюбивых дневных млекопитающих. Конечно, причины вымирания, его механизмы могли быть и другими. К едва заметным на взгляд человека, энергетическим перестройкам ведут даже незначительные изменения абиотической среды. Одно несомненно - вид никогда не исчезает один, всегда наблюдается изменение пищевых и информационных сетей. Происходит глобальная перестройка на всех уровнях экосистем. Одни виды исчезают, другие их замещают. Это явление находит отражение в правиле (принципе) катастрофического толчка: глобальная природная или природно-антропогенная катастрофа (сближение Земли с другим крупным космическим телом, столкновение с астероидом, резкое изменение климата, обеднение биоты и т. д.) всегда приводит к существенным эволюционным перестройкам, которые относительно прогрессивны для природы (адаптируют ее системы к новым условиям среды), но не обязательно полезны для вида или иной систематической категории, в том числе для человека и его хозяйственной деятельности. В связи с тем что отмечаются ускорения и замедления эволюции, действует и принцип прерывности и непрерывности развития биосферы: процесс медленного эволюционного изменения организмов закономерно прерывается фазами бурного развития и вымирания практически без переходных (палеонтологических) форм. Здесь интересен не столько механизм эволюции, а сам факт различного ускорения эволюционных процессов и их направленности. В случае, если ведущую роль в отборе играли верхние уровни природных систем и они же фактически направляли эволюцию, то антропогенные изменения биосферы, которые идут с большей скоростью, могут для нового ускорения эволюционных перестроек дать толчок в любой момент, вследствие чего произойдет капитальная перестройка экологических условий на Земле. Человечество как биологическое и социально-экономическое образование к таким преобразованиям едва ли готово. Нужны хотя бы общие показатели-рамки для установления, что является опасным, а что еще не грозит опасностью в ходе эволюции среды и жизни. По мнению ряда ученых, такими критическими показателями могут быть точки Пастера и правила одного и десяти процентов. Как известно из раздела 2.3, основной точкой Л. Пастера является момент, когда уровень содержания кислорода в атмосфере Земли в процессе эволюции составил 1% современного. Аэробная жизнь стала возможной с этого времени, что соответствует геохронологически архею. Считается, что накопление кислорода шло взрывообразно, в течение около 20 тыс. лет (рис. 12.47).

Рис. 12.47. Происхождение кислорода в атмосфере (по Е. Одуму, 1971)

Вторая точка Пастера - достижение также в архее содержания кислорода в атмосфере Земли около 10% современного. Создались предпосылки формирования озоносферы (рис. 12.48). Появилась возможность жизни на мелководьях, а в дальнейшем и на суше.

Рис. 12.48. Механизмы образования озонового слоя (внизу)

и его роль в атмосфере (вверху), по Е. А. Криксунову и др., 1995

Точки Пастера, как и закон пирамиды энергий Р. Линдемана (раздел 12.7), дали основание для формулировки правил одного и десяти процентов, получившего название закона Линдемана. Так называемое «магическое число» 1% возникает из соотношения возможностей потребления-энергии и «мощностей», необходимых для стабилизации среды. Доля возможного для биосферы потребления общей первичной продукции не превышает одного процента, что следует и из закона Р. Линдемана: около 1% чистой первичной продукции в энергетическом выражении потребляют позвоночные животные как консументы высших порядков, около 10% - беспозвоночные животные как консументы низших порядков, оставшуюся часть - бактерии и грибы-сапрофаги. Человечество, как только на грани XIX-XX вв.стало использовать большее количество продукции биосферы (в 90-х гг. XX в. - не менее 10%), так и перестал удовлетворяться принцип Ле Шателье-Брауна (примерно с 0,5% общей энергетики биосферы), рис. 12.49 и 12.50.

Рис. 12.49. Биосфера и человек-модель развития системы

их взаимоотношений (по Н. Ф. Реймерсу, 1990)

Примечание: толщина стрелок внутри кругов отражает силу воздействий; 1-3 - фазы преобразования природы человеком (промышленная, скотоводческо-земледельческая, индустриальная)

Принцип Ле Шателье-Брауна гласит, что при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Так, растительность не давала прироста биомассы в соответствии с увеличением концентрации СО 2 и т. д. Прирост связанного растениями углерода наблюдался лишь в XIX в.

Достаточно признанным считается порог потребления 5-10% суммы вещества, который приводит с переходом через него к заметным изменениям в системах природы. Он в большей степени принят на эмпирическо-интуитивном уровне, без различия форм и характера управления в данных системах. Приближенно намечающиеся переходы для природных систем можно разделить на с организменным и консорционным типом управления и популяционных систем. Для первых порог выхода из стационарного состояния до 1 % от потока энергии или «нормы» потребления и порог саморазрушения составляет около 10% этой «нормы». Для популяционных систем превышение в среднем 10% объема изъятия приводит к выходу этих систем из стационарного состояния.

Обратим внимание на формулировку «выход из стационарного состояния». Для глобальной энергетической системы такой выход, вероятно, происходит в рамках 0,1-0,2% возмущения общепланетных процессов, т. е. значительно раньше, чем наступают сбои в действии принципа Ле Шателье-Брауна и заметные природные аномалии. В подтверждение вышесказанного можно указать на то, что опустынивание начало существенно расти еще в прошлом веке. Трудно доказать или опровергнуть антропогенность климатических процессов, происходящих в последние два столетия.

Эволюционные переходы в биосфере занимают относительно небольшое время. Правила усиления интеграции биологических систем И. И. Шмалъгаузе-на гласят, что в процессе эволюции биологические системы становятся все более интегрированными, со все более развитыми регуляторными механизмами, обеспечивающими такую интеграцию. Н. Ф. Реймерс в работе «Системные основы природопользования» указывал на то, что разрушение более трех уровней иерархии экосистем абсолютно необратимо и катастрофично. Для поддержания надежности биосферы обязательна множественность конкурентно взаимодействующих экосистем. Таким путем шла эволюция биосферы. Антропогенные же воздействия нарушают этот ход. Правило множественности экосистем вытекает и из правила экологического дублирования, и вообще из теории надежности. Здесь интеграция оказывается «скользящей» по иерархической лестнице экосистем.

Развитие биосферы в

Ноосферу - сферу разума

С появлением человеческого общества, под влиянием которого в современных условиях происходит дальнейшая эволюция биосферы, приводит к изменению качественного состава самой биосферы, к ее переходу в ноосферу. Под ноосферой понимают сферу взаимодействия природы и общества, в котором разумная деятельность людей становится главным, определяющим фактором развития. Название «ноосфера» происходит от греч. «ноос» - разум и таким образом обозначает сферу разума. Понятие ноосферы ввел в 1927 г. французский ученый-математик Э. Леруа, подразумевая под ним современную геологическую стадию развития биосферы. Э. Леруа отмечал, что пришел к такому представлению вместе со своим другом - геологом и палеонтологом П. Тейером де Шарденом, который в дальнейшем разработал собственное представление о ноосфере. В книге «Феномен человека» автор определил ноосферу как «новый покров», «мыслящий пласт, который, зародившись в конце третичного периода, разворачивается над миром растений и животных - вне биосферы и над ней».

Научное и практическое значение деятельности В. И. Вернадского как основателя учения о биосфере состоит в том, что он впервые во всеоружии знаний своего времени глубоко обосновал единство человека и биосферы. Сама живая материя как носитель разума, отмечал В. И. Вернадский, составляет небольшую часть биосферы по массе. Возникновение человеческого общества явилось результатом длительного развития живого вещества в пределах биосферы. Появление человека на Земле предопределило неизбежность возникновения нового состояния биосферы - переход ее в ноосферу, оболочку разума, охваченную целенаправленной деятельностью самого человека. При этом периоду сознательной деятельности человека предшествовал длительный период его дикого, полудикого и в целом стихийного существования. В пределах биосферы возникла первоначально сфера первобытной деятельности человеческого общества, которую нередко называют антропос-ферой. Начало ей положило расселение человека по всей поверхности суши в результате использования огня. Человек, овладев огнем, стал относительно независимым от климата и заселил все континенты, кроме Антарктиды. По свидетельству уникальных палеонтологических находок, человек, зародившись в дебрях Центральной Африки, освоил Европу, Азию, Австралию, а при дальнейшем совершенствовании своего организма достиг просторов Северной и Южной Америки. В ходе развития производительных сил антропосфера, охватывающая стихийную деятельность человеческого общества, объективно должна перейти в ноосферу - сферу сознательной деятельности. В современную эпоху становление ноосферы теснейшим образом связано с овладением различными формами движения материи - первоначально механической, потом тепловой, химической, атомно-ядерной. На очереди овладение биологическими формами движения - создание живых форм с помощью методов и средств биотехнологии и генной инженерии. С этим связано и возникновение новых по качеству круговоротов веществ в биосфере.

В. И. Вернадский, оценивая роль человеческого разума и научной мысли, делает следующие выводы.

1. Ход научного творчества является той силой, которой человек меняет биосферу, в которой он живет.

2. Это проявление изменения биосферы есть неизбежное явление, сопутствующее росту научной мысли.

3. Это изменение биосферы происходит независимо от че-ловеской воли, стихийно, как природный естественный процесс.

4. А так как среда жизни есть организованная оболочка планеты - биосфера, то вхождение в нее в ходе ее геологически длительного существования нового фактора ее изменения - научной работы человечества - есть природный процесс перехода биосферы в новую фазу, в новое состояние - ноосферу.

5. В переживаемый нами исторический момент мы видим это более ясно, чем могли видеть раньше. Здесь вскрываются перед нами «законы природы». Новые науки - геохимия и биогеохимия -дают возможность впервые выразить некоторые важные черты процесса математически.

Выводы о том, что биосфера неизбежно превратится в ноосферу, т. е. сферу, где разум человека будет играть доминирующую роль в развитии системы «человек - природа», получили название закона ноосферы В. И. Вернадского.

В дальнейшем эволюции биосферы и переходу ее в ноосферу были посвящены научные работы многих зарубежных и отечественных исследователей. Так, М. М. Камшилов (1974), рассматривая эволюцию биосферы, отмечал (рис. 12.51):

Рис. 12.51. Стадии эволюции биосферы, представленные

в виде последовательно вовлекаемых в круговорот

циклов (по М. М. Камшилову, 1974)

1 - в большом абиотическом круговороте веществ (А) возникла биосфера (Б);

2 - по мере развития жизни она расширяется;

3 - в ней появляется человеческое общество (Ч);

4 - человеческое общество начинает поглощать вещество и энергию не только через биосферу, но и непосредственноизабиотической среды (Т);

5 - биосфера, превратившаяся в ноосферу (Н), стала развиваться под контролем разумной деятельности человека (ноогенез); управление взаимными отношениями человеческого общества и природы осуществляется с помощью ноогенетики, жизнь, развиваясь по пути ноогенеза, все полнее осваивает вещество, энергию и потенциал информации неживой приро- | ды, распространяясь за пределы Земли (пунктирные линии).

В XX в.накопился огромный фактический материал по биосфере, по производственной деятельности человеческого общества. Рождающаяся ноосфера в своих главных проявлениях характеризуется следующими признаками (рис. 12.52).

Рис. 12.52. Геохимия ноосферы (по Д. И. Перельману, 1973)

Процессы, унаследованные от биосферы, но существенно измененные в ноосфере: 1 - биологический круговорот атомов; 2 - круговорот воды, водная и атмосферная миграция элементов; 3 - рассеяние элементов - отработка месторождений и т. д. Процессы, чуждые биосфере: 4 - получение металлов и других элементов, неустойчивых в термодинамическом поле биосферы; 5 - производство энергии на атомных электростанциях; б - синтез органических веществ, не существовавших в биосфере (полимеры и др.)

1. Возрастающим количеством механически извлекаемого материала литосферы - ростом разработки месторождений полезных ископаемых. В 90-х гг. оно превышало 100 млрд т в год, что в 4 раза больше массы материала, выносимого речным стоком в океан в процессе денудиции суши.

2. Массовым потреблением продуктов фотосинтеза прошлых геологических эпох, главным образом в энергетических целях. Химическое равновесие в биосфере в связи с этим смещается в сторону, противоположную глобальному процессу фотосинтеза, что неизбежно приводит к росту содержания углекислого газа в биосфере и уменьшению содержания свободного кислорода.

3. Процессы в ноосфере приводят к рассеиванию энергии Земли, а не к ее накоплению, что являлось характерным для биосферы до появления человека. Возникает важная энергетическая проблема.

4. В ноосфере создаются в массовом количестве вещества, которые ранее в биосфере отсутствовали. Происходит металлизация биосферы.

5. Характерно для ноосферы появление новых трансурановых химических элементов в связи с развитием ядерной технологии и ядерной энергетики. Овладение ядерной энергией происходит за счет деления тяжелых ядер. Предвидится в недалеком будущем получение термоядерной энергии за счет синтеза легких ядер, что позволит полностью отказаться от горючих полезных ископаемых в качестве источника энергии.

6. Ноосфера выходит за пределы биосферы в связи с огромным прогрессом научно-технической революции. Возникла космонавтика, которая обеспечивает выход человека за пределы планеты Земля. Происходит освоение космического, околокосмического пространства с непредвиденными возможностями. Создается принципиальная возможность создания искусственных биосфер на других планетах.

7. С образованием ноосферы планета Земля переходит в новое качественное состояние. Если биосфера - это сфера Земли, то ноосфера - это сфера Солнечной системы. Ноосфера в будущем станет областью Солнечной системы в познавательных и производственных целях человеческого общества.

Таким образом, хаотическое саморазвитие, основанное на процессах естественной саморегуляции, будет заменено разумной стратегией, базирующейся на прогнозно-плановых началах, регулировании процессов естественного развития. Это управление, несомненно, должно быть лишь «мягким» и следовать только законам природы и развития общества. В основе формирования ноосферы могут быть лишь благо и заинтересованное понимание, а не насилие и волюнтаризм. Человечеству придется решать массу тяжелых для нового времени проблем, но это будут иные, чем сегодняшние, проблемы.

Лекция:

Биосфера – как глобальная экосистема

1. Введение

2. Биосфера

2.1. Структурные уровни биосферы

2.2.

2.3. Живое вещество биосферы

2.4. История развития биосферы

3. Учение о биосфере

3.1. История изучения биосферы

3.2. Учение Вернадского

4. Экосистема

4.1. Понятие экосистемы

4.2. Классификация экосистем

4.3. Компоненты экосистемы

4.4. Круговорот вещества

4.5. Биосфера - глобальная экосистема

5. Заключение

1. ВВЕДЕНИЕ

Биосфера играет ключевую роль в существовании жизни на Земле. Благодаря взаимодействию биотической и абиотической части, образуется уникальная среда – экосистема, в которой происходит круговорот вещества, обеспечивающий поддержание баланса биоценозов.

Человек является непосредственно связанным с биосферой. Он не может покинуть эту оболочку, нуждаясь в постоянном поступлении энергии от продукции, производимой продуцентами экосистем, защите от космического излучения и пригодном для жизни микроклимате. Поэтому жизненно важной задачей современного человечества является сохранение среды их обитания в состоянии равновесия (переход от техносферы к ноосфере – разумно управляемой сфере). Целостное представление о механизме работы составляющих биосферу компонентов даёт понимание важности сохранения каждого компонента, что особенно актуально сейчас, когда нерациональное использование ресурсов биосферы нарушает баланс, приводя к необратимым процессам разрушения тонкой «оболочки жизни».

2. БИОСФЕРА

Биосфера в современном понимании – это оболочка Земли, содержащая живое вещество и ту часть абиотической среды, в непрерывном обмене с которым находится биовещество . Под живым веществом здесь подразумевается совокупность всех организмов, населяющих Землю. Биосфера распространяется на нижнюю часть атмосферы, гидросферу и тонкую верхнюю полосу литосферы и поверхность почвы. Однако, разделение это несколько условно, так как отдельные «островки жизни», обусловленные техногенезом, могут встречаться за пределами слоя жизни , например, космические корабли, буровые скважины.

2.1. Структурные уровни биосферы

В биосфере выделяют следующие структурные уровни (рис. 1):

Рис. 1. Структурные уровни биосферы

- Аэробиосфера. Расположена в пределах атмосферы (газовой оболочки планеты). Вещество в атмосфере распределено неравномерно, что обуславливается уменьшением плотности воздуха с удалением от поверхности. Обычно атмосферу делят на три крупных совокупности слоев: тропосферу (от поверхности до высоты 8-10 км), стратосферу (8-10 км до озонового слоя) и ионосферу (выше озонового слоя). В более подробном рассмотрении, подразделяется на тропобиосферу (соответствует тропосфере – 8-10 км.), в которой сосредоточены почти все аэробионты (организмы, постоянно живущие в слое воздуха, нуждающиеся во влажности и взвешенных частицах – аэрозолях ; в основном – бактерии), и альтобиосферу (от 8-10 км. До озонового слоя, после которого жесткое ультрафиолетовое излучение не допускает существование жизненных форм.
В настоящее время иногда также выделяют парабиосферу (выше озонового слоя, куда некоторые организмы могут случайно попадать, но не могут нормально существовать), апобиосферу (слой выше 60-80 км., куда живые организмы никогда не поднимаются, но биовещество может заноситься в очень незначительных количествах) и артебиосферу (космическое пространство, в котором биологические существа существуют на созданных человеком ограниченных пространствах, т. е. космических спутниках, космических станциях и т. п.).

- Гидробиосфера. Водная оболочка планеты, представленная океанами, морям, и наземными водами (гидросфера). Простирается от поверхности водоемов до глубины 11 км. (Марианская впадина). Подразделяется на марианобиосферу (или океанобиосферу), и аквабиосферу , которая в свою очередь некоторыми учеными делится на лимноаквабиосферу (биосфера озер; в том числе галолимнобиосферу – биосферу соленых озер) и реаквабиосферу (реки).

- Геобиосфера. Самая населенная организмами оболочка , распространяющаяся от поверхности почвы на границе с атмосферой и гидросферой до глубины нескольких километров (верхняя часть литосферы). Геобиосфера подразделяется на поверхностную часть – террабиосферу , и подземную часть – литобиосферу (см. рис. 2). Последняя не имеет окончательно установленных нижних границ и теоретически может распространяться до 20-25 км., на которой вследствие температур около 450оС при любом давлении вода превращается в пар, делая существование любых организмов невозможным . Сегодня глубины распространения микроорганизмов, подтвержденные опытно, составляют около 2 км [ 2 ].

Рис. 2. Соотношение слоев биосферы с высотами их распространения

2.2. Абиотические компоненты биосферы

К абиотическим (неживым, косным ) компонентам относится вещество, в создании которого не принимало участие живое вещество : земная кора (кроме самого верхнего слоя – почвы, а также продуктов фоссилизации, т. е. захоронения органического вещества), минералы и вещества, поступающие в биосферу из-за её пределов (космоса, глубин планеты). Достаточно сложно выделить абсолютно «чистое» косное вещество, так как воздействие живых организмов в биосфере испытывают все неживые вещества. Поэтому, косное вещество, образовавшееся и перерабатываемое живыми организмами, называется биокосным (например: почва, ил).

Биогенное вещество – это вещество, создаваемое и перерабатываемое живым веществом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ (например, так образовались уголь, нефть, минеральные породы, кислород).

2.3. Живое вещество биосферы

Живое вещество, или биомасса – совокупность всех живых организмов на Земле, способных к воспроизводству, распространению по планете, борьбе за пищу, воду, территорию и т. д. Живое вещество связано с косным веществом – атмосферой (до уровня озонового экрана), полностью с гидросферой и литосферой, главным образом в границах почвы, но не только.

Живое вещество биосферы неоднородно и обладает тремя типами трофических взаимодействий: автотрофностью, гетеротрофностью, миксотрофностью.

Трофические экологические взаимодействия способствуют преобразованию неорганического (косного) вещества в органическое и обратной перестройке органических веществ в минеральные.

Живое вещество характеризуется определенными свойствами: это огромная свободная энергия; химические реакции, протекающие в тысячи и даже миллионы раз быстрее, чем в других веществах планеты; специфические химические соединения – белки, ферменты и другие соединения, устойчивые в составе живого; возможность произвольного движения – рост или активное перемещение; стремление заполнить все окружающее пространство; разнообразие форм, размеров, химических вариантов и т. п., значительно превышающее многие контрасты в неживом, косном веществе.

Количество живого вещества биосферы в пределах отдельно рассматриваемого геологического периода является постоянным. Согласно закону биогенной миграции атомов , живое вещество оказывается энергетическим и химическим посредником между Солнцем и поверхностью Земли.

2.4. История развития биосферы

Биосфера не развивалась равномерно на всем протяжении истории Земли. Наибольшее ее влияние на формирование внешнего облика планеты стало заметно лишь в последние 600-700 млн. лет, когда с заселением материков резко возросла роль фотосинтеза , что привело к многократному увеличению доли кислорода в древней атмосфере.

В развитии биосферы условно можно выделить несколько этапов, каждый из которых отмечен важным прогрессивным продвижением; которые в конце привели к образованию современного состояния биосферы (рис. 3).

Рис.3. Основные этапы развития биосферы

- Хемогенез (химическая эволюция). Большинство гипотез о происхождении жизни на Земле предполагают, что долгое время после формирования пригодной для выживания живых организмов температурной среды, планета была безжизненной. В это время на ее поверхности, в атмосфере и океане под действием коротковолнового солнечного изучения происходил медленный абиогенный синтез органических соединений (метан, водород , аммиак , водяной пар), который привел к формированию первых, самых примитивных организмов . Длительность этапа оценивается не менее чем в 1 млрд. лет.

- Биогенез. Ключевым фактором, обусловившим появление сложных организмов из простых, стало насыщение атмосферы кислородом, который по мере увеличения концентрации в верхних слоях атмосферы, под действием ультрафиолетового излучения образовывал газ озон, имевший свойство задерживать коротковолновую радиацию, губительную для жизненных форм. На начальных этапах биогенеза концентрация кислорода составляла не более 0,1% от современного; изменение атмосферы началось приблизительно 2 млрд. лет назад, когда появились первые фотосинтезирующие организмы (очевидно, это были сине-зеленые водоросли – прокариоты) . А значительное увеличение доли кислорода началось около 1,5 млрд. лет назад вместе с появлением хлорофилловых клеток, поглощающих углекислый газ и выделяющих кислород в больших объемах. Около 600 млн. лет назад произошло еще одно резкое увеличение доли кислорода в атмосфере (с 3% от современного значения 700 млн. лет назад до 50% - в меловом периоде 140 млн. лет назад). Причиной этого стал выход и расселение по материкам сначала низших, затем высших автотрофов.

- Социогенез. Появление человека и его расселение по планете (1,5 – 3 млн. лет назад).

- Техногенез. Биосфера сильно подверглась изменению в период активного формирования технической оболочки – техногенных и природно-технических комплексов (результатов производственной деятельности), которой окружил себя человек. Начало этапа связано с появлением 10-15 тыс. лет назад городских поселений .

- Ноогенез. Последняя, высшая стадия развития биосферы, связанная прежде всего с превращением одностороннего использования природных ресурсов (характерно для техногенеза) в разумно-управляемую социально-природную систему (ноосферу). Ее особенностью является взаимополезное взаимодействие природы и человеческого сообщества, где человеческая деятельность становится определяющим фактором глобального развития, в частности внешнего облика окружающей его среды . При этом, так как человечество может существовать только в благоприятном для жизни слое – биосфере, то основной целью построения ноосферы является сохранение того типа биосферы, который обеспечивает выживание и развитие человека и его взаимодействия с окружающей средой. Термин впервые введен и описан советским ученым В. Вернадским.

3. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ

Современное понимание термина «биосфера» и выделение ее, как области распространения живого вещества возможно благодаря трудам Ж.-Б. Ламарка, Э. Зюсса, В. Вернадского и других ученых, благодаря которым биосфера стала центральным объектом изучения новой науки – экологии. Изучение биосферы и планирование ее будущего развития не может отделяться от изучения истории ее становления.

3.1. История изучения биосферы

«Биосфера» как понятие, отражающее область распространения живых организмов, впервые ввел в своих работах французский натуралист Ж.-Б. Ламарк (1802) . Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

Факты и положения о биосфере накапливались постепенно в связи с развитием ботаники, почвоведения, географии растений и других преимущественно биологических наук, а также геологических дисциплин. Однако в то время быстрое расслоение наук о природе привело к тому, что термин не прижился. Только спустя более 70 лет, в 1875 австрийский геолог Э. Зюсс вновь упомянул этот термин. Первоначально под «биосферой» подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого термина «биосфера» Э. Зюсс в своей книге «Лик Земли», опубликованной спустя тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замечал обратного воздействия биосферы и определял ее как «совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверхности Земли».

А третье и окончательное возрождение понятия стало возможным благодаря советскому геологу, создавшему в 20-х годах XX века современное учение о биосфере (1926). Должного внимания научному труду Вернадского сначала оказано не было, но после Второй Мировой Войны последствия радиоактивного и химического загрязнения воздуха, воды и почв заставило ученых вернуться к исследованиям Вернадского.

3.2. Учение Вернадского

Согласно воззрениям Вернадского весь облик Земли, все ее ландшафты, атмосфера, химический состав вод, толща осадочных пород обязаны своим происхождением живому веществу . Жизнь – это связующее звено между Космосом и Землей, которое используя энергию, приходящую из космоса, трансформирует косное вещество, создает новые формы материального мира. Так, живые организмы создали почву, наполнили атмосферу кислородом, оставили после себя километровые толщи осадочных пород и топливные богатства недр, многократно пропустили через себя весь объем Мирового океана. Вернадский не занимался проблемой возникновения жизни, он понимал ее как естественный этап самоорганизации материи в любой части космоса, приводящий к возникновению все новых форм ее существования.

В структуре биосферы Вернадский выделял семь видов вещества:

1. Живое.

2. Биогенное (возникшее из живого или подвергшееся переработке).

3. Косное (абиотическое, образованное вне жизни).

4. Биокосное (возникшее на стыке живого и неживого; к биокосному, по Вернадскому, относится почва).

5. Вещество в стадии радиоактивного распада.

6. Рассеянные атомы.

7. Вещество космического происхождения.

Вернадский был сторонником гипотезы панспермии (занесения жизни на Землю из космоса). Методы и подходы кристаллографии Вернадский распространял на вещество живых организмов. Он считал, что живое вещество развивается в реальном пространстве, которое обладает определённой структурой, симметрией и дисимметрией. Строение вещества соответствует некоему пространству, а их разнообразие свидетельствует о разнообразии пространств. Таким образом, живое и косное не могут иметь общее происхождение, они происходят из разных пространств, извечно находящихся рядом в Космосе. Некоторое время Вернадский связывал особенности пространства живого вещества с его предполагаемым неевклидовым характером, но по неясным причинам отказался от этой трактовки и стал объяснять пространство живого как единство пространства-времени.

Важным этапом необратимой эволюции биосферы Вернадский считал её переход в стадию ноосферы.

4. Биосфера как глобальная экосистема

4.1. Понятие «экосистема»

Экосистема – система, состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними .

Отличительной чертой экосистемы является наличие относительно замкнутых, стабильных в пространстве и времени потоков вещества и энергии между биотической и абиотической частями экосистемы , поэтому не каждая система взаимоотношений , естественная или искуственная, может называться экосистемой.

4.2. Классификация экосистем

Так как экосистемы являются сложными системами, то их классифицируют по нескольким признакам.

По размеру выделяют:

- Микроэкосистемы . Экосистемы самого нижнего ранга, по размеру сходные с небольшими компонентами среды: небольшой водоем, гниющий ствол упавшего дерева и т. п.

- Мезоэкосистемы . Примерами могут служить лес, река и т. п.

- Макроэкосистемы . Имеют очень большое распространение (в пределах морей, океанов, материков), например, горы Анды, материк Австралия.

- Глобальную экосистему , которая является аналогом биосферы.

Стабильность экосистем увеличивается вместе с широтой охвата территории.

По степени антропогенного воздействия экосистемы подразделяют на три вида:

- Природные (или естественные) – экосистемы не нарушенные влиянием человека. Например, отдаленные от человеческих поселений джунгли в Амазонии, заповедники, океанические впадины.

- Социоприродные – естественные системы, измененные человеком (парк, водохранилище)

- Антропогенные – системы, созданные человеком для извлечения выгоды. Делятся на техногенные и агроэкосистемы.

Также экосистемы можно классифицировать по многим другим признакам: структуре (наземные, пресноводные, морские, прибрежные и т. д.); источникам энергии (основной источник – Солнце, но присутствуют также другие субсидирующие источники) .

Так как биомы (макроэкосистемы) распределены согласно консорциям , экосистемы принято классифицировать по типу преобладающего фитоценоза:

Наземные биомы

Вечнозеленый тропический дождевой лес.
Полувечнозеленый тропический лес.
Пустыня: травянистая и кустарниковая.
Чапараль - районы с дождливой зимой и засушливым летом.
Тропические степи и саванна.
Степь умеренной зоны.
Листопадный лес умеренной зоны.
Бореальные хвойные леса.
Тундра: арктическая и альпийская.

Водные экосистемы классифицируются по отличительным признакам: солености воды, особенностям водоема.

Типы пресноводных экосистем
Стоячие воды: озера, пруды и т. д.
Текучие воды: реки, ручьи и т. д.
Заболоченные угодья: болота и болотистые леса.

Типы морских экосистем
Открытый океан.
Воды континентального шельфа (прибрежные воды).
Районы апвеллинга (районы подъема глубинных вод к поверхности; плодородные районы с продуктивным рыболовством).
Эстуарии (прибрежные бухты , проливы, устья рек, соленые марши и т. д.).

Следует учитывать то, что приведенная классификация охватывает только крупные экосистемы – биомы.

4.3. Компоненты экосистемы

В экосистеме можно выделить два компонента – биотический и абиотический. Биотический делится на автотрофный (организмы, получающие первичную энергию для существования из фото - и хемосинтеза или продуценты) и гетеротрофный (организмы, получающие энергию из процессов окисления органического вещества – консументы и редуценты) компоненты, формирующие трофическую структуру экосистемы.

Единственным источником энергии для существования экосистемы и поддержания в ней различных процессов являются продуценты, усваивающие энергию солнца. Солнечная энергия поглощается в биосфере неравномерно, что можно видеть на рис. 4.

Рис. 4. Поступление и распределение солнечной энергии

Энергия солнца поглощается лишь частично, и на каждый новый трофический уровень переходит лишь около 10% (Правило Линдемана) , что обуславливает ограниченную длину цепей питания (обычно 5-6 уровней), соответственно можно сказать что на долю консументов приходится значительно меньше энергии, чем на долю плотоядных, плотоядных – меньше чем фитофагов и т. д. (рис.5).

Рис. 5. Схема распределения энергии среди продуцентов и консументов

Каждая экосистема характеризуется присущей ей совокупностью свойств и структурой.

С точки зрения структуры в экосистеме выделяют:

1. Климатический режим, определяющий температуру, влажность, режим освещения и прочие физические характеристики среды.

2. Неорганические вещества, включающиеся в круговорот.

3. Органические соединения, которые связывают биотическую и абиотическую части в круговороте вещества и энергии.

4. Продуценты – автотрофные организмы, создающие первичную продукцию.

5. Консументы – гетеротрофы, поедающие другие организмы (хищные) или крупные частицы органического вещества.

6. Редуценты – гетеротрофы, в основном грибы и бактерии, которые разрушают мёртвое органическое вещество, минерализуя его, тем самым возвращая в круговорот.

Последние три компонента формируют биомассу экосистемы.

С точки зрения функционирования экосистемы выделяют следующие функциональные блоки организмов (помимо автотрофов):

1. Биофаги – организмы, поедающие других живых организмов.

2. Сапрофаги – организмы, поедающие мёртвое органическое вещество.

Данное разделение по типу питания обеспечивает круговорот биовещества в экосистеме. Между отмиранием органического вещества и повторным включением его составляющих в круговорот вещества в экосистеме может пройти существенный промежуток времени, например, в случае соснового бревна, 100 и более лет.

Все эти компоненты взаимосвязаны в пространстве и времени и образуют единую структурно-функциональную систему.

Среди составляющих также выделяют экотоп, климатоп, эдафотоп, биотоп и биоценоз.

Экотоп – территория (или акватория) местообитания организмов, характеризующееся определённым сочетанием экологических условий: почв, грунтов, микроклимата и т. д., при этом не измененная деятельностью организмов (новообразованные формы рельефа).

Климатоп – воздушная (или водная) часть экосистемы, отличающаяся от окружающей своим составом, воздушным (водным) режимом, влажностью (соленостью) и/или другими параметрами.

Эдафотоп – почва, как часть среды преобразуемой организмами.

Биотоп – преобразованный биотой экотоп или, более точно, участок территории, однородный по условиям жизни для определённых видов растений или животных, или же для формирования определённого биоценоза .

Биоценоз – исторически сложившаяся совокупность растений, животных, микроорганизмов, населяющих участок суши или водоёма (биотоп). Биоценозы ограничиваются распределением детерминантов (определителей) зооценозов (консорций – популяций растений вместе с сопровождающими их организмами), в которых доминирующие виды растений создают условия для жизни других организмов.

4.4. Круговорот вещества в биосфере

Земля отличается от других планет тем, что её биосфера содержит вещество, чувствительное к потоку солнечного излучения – хлорофилл. Именно хлорофилл обеспечивает преобразование электромагнитной энергии солнечного излучения в химическую энергию, с помощью которой идет процесс восстановления окислов углерода и азота в реакциях биосинтеза.

В зеленом растении происходит фотосинтез – процесс образования углеводов из воды и двуокиси кислорода (которая находится в воздухе или воде). При этом в качестве побочного продукта выделяется кислород. Зеленые растения относят к автотрофам – организмам, которые берут все нужные им для жизни химические элементы из окружающей их косной материи и не требуют для построения своего тела готовых органических соединений другого организма.

Гетеротрофы – это организмы, которые нуждаются для своего питания в органическом веществе, образованном другими организмами. Гетеротрофы постепенно преобразуют органическое вещество, образованное автотрофами, доводя его до первоначального- минерального - состояния.

Деструктивная (разрушающая) функция совершается представителями каждого из царств живого вещества. Распад, разложение – неотъемлемое свойство обмена веществ каждого живого организма. Растения образуют органические вещества и являются крупнейшими производителями углеводов на Земле, но они же выделяют и необходимый для жизни кислород как побочный продукт фотосинтеза.

В процессе дыхания в телах всех видов живого образуется углекислый газ, который растения вновь используют для фотосинтеза. Существуют и такие виды живого, для которых разрушение отмершего органического вещества являются способом питания. Существуют организмы со смешанным типом питания, их называют миксотрофами .

В биосфере происходят процессы преобразования неорганического, косного вещества в органическое и обратной перестройки органических веществ в минеральные. Движение и преобразование веществ в биосфере осуществляется при непосредственном участии живого вещества, все виды которого специализировались на различных способах питания.

Конечное количество вещества, которое есть в биосфере, приобрело свойство бесконечности через круговорот веществ. Все компоненты биосферы взаимодействуют друг с другом (рис. 6), обеспечивая устойчивость системы.

Рис. 6. Экологические компоненты

В ходе биогеохимических циклов атомы большинства химических элементов проходили бесчисленное количество раз через живое существо. Например, весь кислород атмосферы «оборачивается» через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ – за 200-300 лет, а вся вода биосферы – за 2 млн. лет.

Живое вещество является совершенным приемником солнечной энергии. Энергия, поглощенная и использованная в реакции фотосинтеза, а затем запасенная в виде химической энергии углеводов, очень велика, есть сведения что она сопоставима с энергией, которую потребляют 100 тысяч больших городов в течение 100 лет. Гетеротрофы используют органическое вещество растений, как пищу: органика окисляется кислородом, который доставляют в организм органы дыхания, с образованием углекислого газа - реакция идет в обратном направлении. Таким образом, «вечной» делает жизнь одновременное существование автотрофов и гетеротрофов.

Факты и рассуждения о «колесе жизни» в биосфере дают право говорить о законе биогенной миграции атомов, который сформулировал: миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, как тем, которое сейчас населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории.

Живое вещество разных царств и разного рода обеспечивает непрерывный круговорот веществ и преобразование энергии. Тем самым обнаруживается закон биогенной миграции атомов : в биосфере миграция химических элементов происходит при обязательном непосредственном участии живых организмов. Биогенная миграция атомов обеспечивает непрерывность жизни в биосфере при конечном количестве вещества и постоянном притоке энергии.

4.5. Биосфера – глобальная экосистема.

Экосистемой, как уже было рассмотрено выше, является система взаимодействия живых организмов и среды их обитания. Экосистемы бывают различных уровней сложности и размеров. Меньшие экосистемы входят в состав более крупных, те – в свою очередь в еще более крупные. Макроэкосистемы (материки, океаны и т. д.) формируют глобальную экосистему – Биосферу.

Для биосферы характерен круговорот энергии, обусловленный разными трофическими ролями продуцентов, консументов и редуцентов. Это один из ключевых признаков экосистемы, который обеспечивает стабильность экосистемы.

Для биосферы характерны все свойства экосистем:

- Биосфера включает в себя живые организмы, населяющие Землю, а также среду их обитания: океаны, сушу, атмосферу.

- В биосфере существуют круговороты вещества: большой (океан-суша) и малый (живое - косное вещество) .

- В биосфере присутствуют все три участника трофической цепи: продуценты, представленные автотрофами; консументы (гетеротрофные организмы), и редуценты (гетеротрофные организмы, разлагающие органическое вещество)

- Биосфера, как экосистема, обладает стабильностью, и потенциально бессмертна, пока существуют продуценты. Среди всех экосистем биосфера, как самая крупная, обладает наибольшей стабильностью.

Исходя из этого биосфере является экосистемой. Так как биосфера объединяет в себе все экосистемы на планете, то ее называют «Глобальной» экосистемой.

5. Заключение

Биосфера является глобальной экосистемой, так как обладает всеми свойствами экосистем. Следовательно, биосфере свойственно изменяться. Изменение биосферы под действием человеческой деятельности является необратимым преобразованием биосферы в техносферу. В условиях современного нарушения цепей взаимодействия организмов и среды их обитания (уничтожение связующих в трофических цепях, ареалов и т. д.) наиболее актуальным является тот негативный факт, что нарушение целостности системы из-за разрыва связей снижает ее естественную склонность к равновесию, что губительно для всего живого на планете, обязанного существованием прежде всего равновесному обмену энергией.

Понимая то, что биосфера, как экосистема обладает основным качеством любой системы – существованием взаимовыгодных связей, важно также понимать, что изменение любого компонента биосферы неизбежно оказывает влияние на все остальные, в конце концов на саму главную современную силу изменения биосферы – человека; поэтому так важно для сохранения биосферы знать о её организации и механизме функционирования.

6. Список использованной литературы

1. , – Биогеография с основами экологии. – М.: ИКЦ Академика, 2003. – 408 с.

2. – Азбука природы (микроэнциклопедия биосферы). – М.: Знание, 1980. – 208 с.

3. – Экология (теории, законы, правила принципы и гипотезы). М.: Россия молодая, 1994. – 367 с.

4. – Основы экологии. М.: Мир. – 1975. – 741с.

5. – Экология в 2-х томах, Т.1. Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. – 328 с.

6. – Экология в 2-х томах, Т.2. Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. – 376 с.

7. , – Экология: учебник для вузов. Ростов-на-Дону: Феникс, 2007. – 602 с.

8. Казначеев Вернадского о биосфере и ноосфере. Новосибирск: Наука, 1989. – 248 с.

9. Гальперин основы природопользования . М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2003. – 256 с.

10. , Козлова экологических терминов. Ульяновск: УлГТУ, 2005. – 264 с.

11. http://dic. *****/dic. nsf/ecolog/149

12. http://www. *****/ecochem/5.html

Смотри дополнительно Презентацию «Биосфера»

(см. раздел 3.1.)

(см. п. 5.3., определение биоценоза)