2.3 Общие закономерности организации биосферы Земли как глобальной экосистемы

Все экосистемы суши и океана в своей совокупности составляю живую оболочку Земли – биосферу. Слово “Биосфера” происходит от греческих слов “bios|” – жизнь и “spheros|” – сфера. Впервые термин “биосфера” был применен в 1803 году французским ученым-естествоведом Ж.Б.Ламарком. Основателем современных представлений о биосфере, “сфере жизни” считается академик В.И. Вернадский.

Учение о биосфере, сформулированное В.И. Вернадским, является краеугольным камнем экологии, одним из главных постулатов экологии, потому что В.И. Вернадский наряду с организмами рассматривал и среду их обитания. Он считал, что развитие биосферы в значительной степени определяется жизнедеятельностью организмов и что существует непрерывное взаимодействие всего живого с неорганическими условиями среды. Следовательно, живое вещество выступает в роли геологической силы, которая формирует лик планеты. Согласно концепции В.И. Вернадского вся известная история геологических отложений Земли имеет следы деятельности живых организмов, т.е. фактически является историей биосферы. Особенная роль в биосфере принадлежит “живому веществу” под которым понимается совокупность всех живых организмов нашей планеты. Живое вещество составляет очень малую часть биосферы, но отличается очень высокой активностью, которая обнаруживается в потреблении, высвобождении и накоплении в телах живых организмов тех или других элементов в больших количествах.

Биосфера – это область распространения жизни на Земле, верхний предел которой протягивается к высоте 10-12км, а нижний предел проходит по донным отложением океанов на глубине 10км.

Энергетический источник биосферы – Солнце. Несомненно, энергия, которая предоставляет биосфере ее обычный вид, имеет космическое происхождение. Ее излучает Солнце – энергетический источник биосферы в форме лучистой энергии. Имеено живые организмы, которые своим дыханием, питанием, своей смертью и своим размножением, постоянным использованием своего вещества, а также обменом поколений порождают это планетарное явление – биосферу.

Ученый рассматривает биосферу не как простую совокупность живых организмов, а как единую термодинамическую систему, в которой сконцентрирована жизнь и проходит постоянное взаимодействие живого с неорганическими условиями среды.

Пределы биосферы обусловлены полем возможного существования жизни, которая может проявляться только в определенных энергетических, физических и химических условиях. Следовательно, жизнь охватывает не все оболочки планеты. Обычно, биосферу подразделяют на три геосферы в зависимости от их фазового состояния: газовую оболочку, то есть атмосферу, водную, то есть гидросферу и твердую – литосферу.

Атмосфера. Толщина ее составляет приблизительно 15км|. Она состоит в основном из азота и кислорода (78% и 21%). Из малых количеств газов следует выделить двуокись азота 0,03% и | аргон 0,93%. Достаточно важно значение в атмосфере играет озон, который расположен в виде слоя на высоте приблизительно 25 км над поверхностью Земли. Атмосфера влияет на физические, химические, биологические процессы на земной поверхности и в гидросфере. Наибольшее значение для биологических процессов имеют: кислород, который используется в процессах дыхания организмов и при минерализации органического вещества, углекислый газ, который расходуется в ходе фотосинтеза автотрофными растениями, а также озон, который экранирует вредную для организмов ультрафиолетовую радиацию Солнца.

Гидросфера. Вода в ее разных состояниях является важнейшей составной частью биосферы и одним из главных факторов существования жизни. Главная масса биосферной воды содержится в Мировом океане, который занимает 71% поверхности планеты Живые организмы, носители биологической воды, имеют ее в своем составе в количестве 80-90%.

Литосфера (почва). Если в атмосфере и гидросфере организмы занимают слои более или менее значительной толщины, организмы литосферы находятся в слое почвы, которая редко когда превышает 1метр. Почва образована из минеральных компонентов, которые возникли в результате разрушения горных пород, и органических веществ – продуктов жизнедеятельности живых организмов, главным образом, растений. Важную роль в образовании почвы играют процессы разложения органического вещества, которые осуществляются бактериями, грибами низшими почвенными животными. В результате этой деятельности в почве образуются запасы азота, фосфора, калия. Другим важным следствием процесса разложения в почве органики – выделение двуокиси углерода, который пополняет запасы его в атмосфере и гидросфере и компенсирует расходы на фотосинтез.

В развитии биосферы решающая роль принадлежит биологическому фактору, возникновению живых организмов, которые способны осуществлять фотосинтез органики из минеральных веществ. Возникновение хлорофиллоносных растений на суше сыграло решающую роль в изменении содержания кислорода в атмосфере Земли и формировании почвенного слоя. Следовательно, в биосфере имеют место процессы регуляции развития живой материи и один из основных – обмен веществ с окружающей средой.

Биосфера в энергетическом отношении – это огромный аккумулятор и трансформатор энергии. Аккумуляция энергии Солнца осуществляется в органическом веществе, кислороде, полезных ископаемых, в некоторых химических соединениях. Эту энергию использует человек, при этом очень неэкономно – то, что природа накапливала 1 млн лет, человек тратит на 1 год. Характерной энергетической особенностью биосферы является наличие упорядоченных систем перемещения энергии – географических “тепловых машин”, которые состоят из “холодильника” и “нагревателя”, соединенных потоком теплоносителя – воды или воздуха. В “тепловых машинах” осуществляется переход тепловой энергии в механическую. Благодаря этому образуется система циркуляции воды и воздуха, которые распределяют энергию и вещество и формируют погоду и климат. Если бы не этот процесс, температура в Харькове была бы на 20-30^о С ниже. Иногда в антициклонных условиях такая ситуация и возникает, но длится недолго. Как и в технических системах перенес тепла в “тепловых машинах” зависит от разницы температур “холодильника” и “нагревателя”. Планетарно эта разница образуется полярными льдами (перенесение от экватору к полярным широтам| или контрасностью температур суши и океана.

Биосфера – наиболее сложная система из всех доступных для изучения. В настоящий момент разработаны лишь самые простые ее модели. Сложная система характеризуется, прежде всего, сложностью связей в ней и отношений. В биосфере совсем недавно были открыты связи, которые раньше были известны в технологических, биологических или социальных системах. Это открытие сделало революцию в природоведении. Прежде всего, это природные механизмы гомеостаза – поддержание параметров системы в определенных пределах изменчивости: температуры, влажности, температуры испарения, уровня воды, в водоемах.

Это дает возможность рассматривать биосферу как систему, которая саморегулируется. Саморегулирование в природных системах осуществляется благодаря достаточно простых механизмов. Это механизмы отрицательных и положительных обратных| связей, которые широко используются в технике. Более простая система отрицательной обратной связи – это бессточное озеро (например, Арал, Каспий):

Условием стабилизации озера является равенство стока и испарения, которое регулируется через уровень озера, который в свою очередь, зависит от объема| воды. От уровня озера зависит площадь, она выступает элементом, который руководит в этой системе по схеме: увеличение стока - увеличение уровня - увеличение площади - рост испарения - уменьшения уровня.

Поэтому в такой системе уровень озера стремится к стабилизации. Это явление мы наблюдаем в виде колебаний, осцилляций озера. Стратегией такой системы является сохранение равновесия, т. е., она является своеобразным барьером, которых в природе много.

В природе существуют еще связи другого характера, прямо противоположного. Например, в речную систему начинают сбрасывать бытовые сточные воды. Сначала это вызывает некоторое повышение активности микроорганизмов-редуцентов, которые получили дополнительный источник питания. Равновесие сохраняется до тех пока возможности сообщества не будут исчерпаны. Затем наступает состояние угнетения редуцентов, которое приведет к замедлению очистки, накоплению сточных вод и последующее ухудшение среды обитания организмов. Это пример положительной обратной связи. Второй пример положительной обратной связи – образование пустынь. В настоящий момент на планете общая площадь пустынь составляет 1 млрд. гектаров и с каждым годом эта цифра растет – пустыни расширяются во все стороны со скоростью 1-2 км в год путем наступления на плодородные почвы. Этот сложный процесс можно представить таким образом: изменение структуры теплового баланса в сторону снижения потерь на испарение и повышение температуры, изменение влагооборота, угнетение растительности, ухудшение состояния среды, приближение пустыни.

Если обобщить, то можно сделать вывод: система, находящаяся в состоянии равновесия, под внешним влиянием так перестраивает свои параметры, чтобы эффект внешнего воздействия был минимальным (принцип Ле-Шателье).

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие компоненты экосистемы относятся к абиотическим?

2. Какие компоненты экосистем относятся к биотическим?

3. Какие организмы называются продуцентами?

4. Какие организмы называются консументами?

5. Напишите суммарное уравнение фотосинтеза.

6. Какова основная функциональная характеристика экосистем?

7. Как соотносятся скорости автотрофных и гетеротрофных процессов в биосфере?

8. Чем можно объяснить накопление кислорода в атмосфере и горючих ископаемых в недрах Земли?

9. Как происходит «саморегуляция экосистем?

10. Что такое гомеостаз, с действием какого технического устройства его можно сравнить?

11. Чем различаются управляющие механизмы в технических и экологических системах?

12. Приведите примеры положительной и отрицательной обратной связи в экосистемах.

13. Что понимается под стабильностью экосистем?

14. Какие типы устойчивости экосистем вы знаете?

15. Что такое сукцессии?

16. Какие типы сукцессий вы можете назвать?

16. Приведите примеры автотрофных и гетеротрофных экосистем.

17. Каково основное отличие экосистемы города от агроэкосистемы?

18. Какие типы агроэкосистем вы знаете?

19. Можно ли космический корабль назвать экосистемой?

20. Что такое биосфера?

21. В чем заключается принцип Ле-Шателье?

Вопросы для самостоятельного изучения темы:

1. Принцип эмерджентности [3, с. 33-35]

2. Биомы [3, с. 60-63]

Литература к теме 2: [1,2, 4-6]