Склад і функціонування біосфери

Жива речовина біосфери утворюється організмами трьох основних типів:

1. Продуценти або автотрофи- це організми, що створюють органічні речовини за рахунок утилізації сонячної енергії, води, вуглекислого газу і мінеральних солей. До них відносяться рослини, яких на Землі приблизно 350000 видів.

2. Консументи або геторотрофи - організми, що одержують енергію за рахунок харчування продуцентами або іншими консументами. До них відносяться консументи першогопородку або фітофаги (рослиноїдні тварини), консументи другого порядку і більш високих порядків або м’ясоїдні, котрі харчуються тваринами. Кількість видів цієї групи найбільша - 1.5 млн..

3. Редуценти або деструктори - організми, що розкладають органічну речовину продуцентів і консументов до простих елементів - води, вуглекислого газу і мінеральних солей. Бувають первинні редуценты - це гриби і бактерії, що розкладають у процесі харчування залишки рослин і останки тварин (процес гниття). Грибами і бактеріями харчуються, у свою чергу, комахи, хробаки, кліщі й ін. Організмів цього типу нараховується 75 тис. видів. Ця величезна кількість живих організмів знаходиться в надзвичайно складних взаєминах між собою і неживою або кісною речовиною.

Серед цих численних зв'язків є дуже важливі і незамінні.

Людина в результаті своєї діяльності порушує біосферні взаємозв'язки, про значення яких не має правильного уявлення, тим самим наносить природі непоправний збиток.

Наприклад, Норвегія у 30-і роки вирішила знищити хижих птахів сов і яструбів, що знищували полярних куріпок. Незабаром спалахнула епідемія і загинула практично вся популяція куріпок.

Закон механізму біогенної енергії (Вернадського – Бауера) – будь-яка біологічна і «біокісна» система, знаходячись у стані «стійкої нерівновагості», тобто динамічної рухливої рівноваги з навколишнім середовищем, еволюційно розвиваючись, збільшує свій вплив на середовище. Е.Бауер – «живі системи ніколи не бувають у рівновазі і виконують за рахунок своєї вільної енергії корисну роботу проти рівноваги, необхідної за законами фізики і хімії при існуючих зовнішніх умовах» і максимуму ефекту зовнішньої роботи у відповідь на отриману з зовнішнього середовища оди­ницю енергії. (Стійка нерівновновагість. Е.С.Бауер)

Екологічні пирамиди

В основі існування харчових ланцюгів лежать розмірні закономірності організмів, що споживаються.

В трофічний оборот екосистеми включається в середньому 1% енергії, що надходить від Сонця. На кожному наступному трофічному рівні зберігається лише приблизно 10% енергії, що засвоюється організмами попереднього трофічного рівня, а 80-90% її розсіюється в екосистемі у вигляді тепла. Тому, чим вище рівень консумента, тим менше сумарна біомаса його особин.

Співвідношення між продуцентами, консументами та редуцентами в екосистемі може бути виражено через один з видів екологічних пірамід.

Розрізняють три види екологічних пірамід:

1. Піраміда чисел Елтона – відображає співвідношення кількості особин у харчовому ланцюзі.

2. Піраміда біомас – відображає співвідношення мас живої речовини кожного кільця трофічного ланцюга.

3. Піраміда енергій – відображає співвідношення енергетичних еквівалентів в одиницю часу кожного кільця трофічного ланцюга.

Піраміди чисел та біомас відображають статику системи (кількість організмів в даний момент). Піраміда енергій відображає швидкість проходження маси їжі крізь харчовий ланцюг (динаміку системи). Якщо враховані усі джерела енергії, піраміда завжди буде мати типовий вигляд, як це диктується другим законом термодинаміки.

Екологічні піраміди дозволяють ілюструвати кількісні стосунки в окремих, особливо цікавих випадках, наприклад, у зв`язках "жертва-хижак” чи "хазяїн-паразит”.

Антропогенні впливи призводять до перерозподілу потоків енергії по харчових ланцюгах екосистем чи заміни одного харчового ланцюга іншим. Ці зміни широко розповсюджені та передують вимиранню видів. Окрім цих впливів на тонку структуру енергетичних потоків в екосистемі чинять немаловажний вплив і інші, що не пов`язані з харчовими сітями. Такими є впливи, що порушують звичайний для екосистеми потік теплової енергії:

1) Антропогенні викиди (емісії) тепла, що пов`язані з енергетикою і промисловістю;

2) Зміна балансу радіації, що надходить від Сонця, внаслідок зміни відбиваючої спроможності (альбедо) поверхні екосистеми (зведення лісів та заміна на інші екосистеми – зменшується частка поглинаючої екосистемою сонячної радіації. Або "почорніння” поверхні – розширення водної поверхні, чи випалювання рослинності).

Харчові ланцюги

Біосферні зв'язки складалися протягом тривалого часу. У природі немає нічого зайвого і непотрібного. Система зв'язків у біосфері неймовірно складна і поки розшифровані лише загалом. У результаті цих зв'язків здійснюється біотичний коловорот речовин у біосфері за наступною схемою (спрощеної):

1. Продуценти (рослини) за допомогою механізму фотосинтезу роблять органічну речовину, споживаючі сонячну енергію, воду, вуглекислий газ і мінеральні речовини. У результаті фотосинтезу рослинність земної кулі щорічно утворить більш 100 млрд. т. органічної речовини (приблизно 40 % цієї кількості приходиться на частку фотосинтезу рослин морів і океанів). При цьому вони засвоюють 200 млрд. т. вуглекислого газу і виділяють у зовнішнє середовище близько 145 млрд. т. вільного кисню. Хемопродуценты використовують енергію хімічних реакцій, напр. окислювання з'єднань заліза або сірки, і також виробляють органічну речовину.

2. Консументи (рослиноїдні, фітофаги) харчуються органічною масою рослин. Консументы 2 і 3 порядків (хижаки, хижі рослини) харчуються іншими консументами.

3. Редуценти розкладають мертві тіла рослин і тварин до простих хімічних речовин (води, вуглекислого газу і мінеральних солей), замикаючі, таким чином, коловорот речовин у біосфері.

Такий ланцюжок зв'язків організмів називається харчовим або трофічним. У цілому, біосфера схожа на єдиний гігантський суперорганізм, у якому автоматично підтримується геоместаз - динамічна рівновага фізико-хімічних і біологічних властивостей внутрішнього середовища і сталість основних функцій.

З погляду кібернетики в кожнім біоценозі, що населяє частину суші або водойми, є керуючі і керовані підсистеми.Роль керуючої підсистеми виконують консументи, що поїдають «зайву» біомасу. Керуючою підсистемою для консументов є хижаки (м'ясоїдні), що запобігають надмірному розвитку консументов. Тому на Землі існує багато видів тварин. Серед них НЕМА "зайвих" або "шкідливих", такі епітети їм дала людина. Особливістю біосферних зв'язків є те, що керуюча і керована підсистеми часто міняються місцями.

Крім енергетичних, харчових і хімічних зв'язків, велику роль у біосфері грають інформаційні зв’язки. Живі організми Землі засвоїли усі види інформації – зорову,звукову, хімічну,електромагнітну. Інформаційні сигнали самі по собі не здатні викликати зворотної реакції, тому що енергетично слабкі, але містять важливі зведення в закодованій формі. Вони розшифровуються (у більшості випадків автоматично) і враховуються живими організмами. Здатність приймати, зберігати і передавати інформацію, властива і неживим об'єктам. Ці процеси в них здійснюються шляхом загального енергетичного обміну. Живі системи можуть також обробляти, накопичувати і використовувати інформацію окремо від енергії. Російський біолог А. Пресман визначає біосферу як систему, у якій матеріально-енергетичні взаємодії підлеглі інформаційним.Прикладом інформаційних зв'язків може служити явище зниження інтенсивності розмноження тварин у надмірно разросшихся популяціях. (Можна привести приклад масової загибелі тварин (кити), стерилізація самців і ін.). Ефективність інформаційних зв'язків у біосфері уражає. Наприклад, самець метелика шовковичного шовкопряда відчуває присутність самки на відстані 2 км. Розрахунки показують, що такий феномен не може базуватися на хімічних сигналах. Імовірно, має місце передача електромагнітних сигналів, причому по типу "тому, кого це стосується".