Экосистемы. Основы круговорота вещества в экосистеме

Все живые организмы существуют в тесной связи, зависимости от окружающей неживой природы и других организмов. Зависимость растений и животных от условий существования, тесные связи между совместно живущими организмами изучает отрасль биологии – экология.

Предметом экологии является изучение взаимоотношений между живыми организмами (в том числе человека) и средой их обитания. Главным объектом изучения в экологии являются экологические системы. Экологические системы (экосистемы) – совокупность различных видов растений, животных, и микроорганизмов, взаимодействующих между собой и окружающей их средой таким образом, что вся эта совокупность может сохраняться неопределенно долгое время.

Условия жизнедеятельности живых организмов зависят от качества среды обитания. Качество среды обитания – это степень соответствия природных факторов (экологических факторов) потребностям человека или других живых организмов. Экологические факторы оказывают на живые организмы как прямое, так и косвенное воздействие. Благоприятное качество окружающей среды способствует возможности устойчивого существования и развития экологических систем и препятствует развитию негативных последствий для любой или наиболее важной (человека) популяции. Критерием качества среды обитания является высокая продуктивность популяций, оптимальное соотношение видов и биомасс популяций. Принято все экологические факторы делить на:

· абиотические факторы (факторы неживой природы);

· биотические факторы (факторы живой природы);

· лимитирующие факторы;

· антропогенные факторы.

Абиотическими факторами называют всю совокупность факторов неживой (неорганической) среды, влияющих на условия и распространение жизни. Прежде всего, к абиотическим факторам относятся физические факторы. Это поступающая от солнца лучистая энергия (порядка 0,14 Дж/см² в сек); освещенность земной поверхности; влажность атмосферного воздуха; атмосферные осадки; газовый состав воздуха (азота около 78%, кислорода около 21%, инертные газы около 0,93%, углекислый газ около 0,03% и др.); температура на поверхности земного шара; давление атмосферного воздуха. Почвенные абиотические факторы – химический и физический состав почвы, плотность, влажность, насыщенность кислородом и др. Абиотические факторы водной среды – химический состав, прозрачность, температура, содержание кислорода и т.д.

Биотическими факторами называют совокупность факторов живой природы, когда жизнедеятельность одних организмов влияет на условия жизни других. Такие факторы можно классифицировать как:

· гомотипические – внутривидовые (взаимодействие особей одного вида), организмы образуют сообщества, где им приходится бороться за пищевые ресурсы, за обладание определенными пастбищами или территорией охоты, т. е. вступать в конкурентную борьбу между собой;

· гетеротипические – межвидовые (взаимодействие особей разного вида), к ним можно отнести нейтрализм, хищничество, паразитизм и др.

В основе любой экологической системы лежит круговорот вещества. Основой такого переноса являются трофические цепи, т. е. пищевые взаимоотношения организмов, регулирующие всю энергетику биотических сообществ и всей экосистемы в целом. Прежде всего, все организмы, входящие в трофические цепи делятся на две большие группы – автотрофов и гетеротрофов.

Автотрофные организмы используют неорганическое вещество для поддержания своей жизнедеятельности и производят из него органическое. К таким организмам относятся, прежде всего, зеленые растения суши и водной среды (сине-зеленые водоросли и др.).

Гетеротрофные организмы для поддержания своей жизни потребляют только органические вещества. К ним относятся все животные и человек. Гетеротрофы, потребляющие мертвую органику, называются сапротрофами (например, грибы).

По функциям взаимодействия живых организмов между собой в биогеоценозе их подразделяют на продуценты, консументы и редуценты.

Продуценты – производители продукции (органического вещества), которой потом питаются все остальные организмы – это зеленые растения, микроскопические морские и пресноводные водоросли.

Консументы – это потребители органических веществ. Среди них есть животные, употребляющие только растительную пищу – травоядные (корова) или питающиеся только мясом других животных – плотоядные (хищники), а также употребляющие и то и другое – «всеядные» (человек, медведь).

Редуценты (деструкторы) – восстановители. Они возвращают органические вещества из отмерших организмов снова в неживую природу, т. е. неорганические вещества.

В результате взаимодействия в биогеоценозе и биохимических процессов происходит круговорот веществ в природе, например для кислорода это время составляет примерно 2500 лет, для атмосферного углерода – примерно восемь лет, круговорот водяных атмосферных паров совершается примерно 25 раз за год.

Основных круговоротов веществ в природе два: большой (геологический) и малый (биогеохимический). Геологический круговорот обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между природой и более глубокими горизонтами Земли. К большому кругообороту можно отнести круговорот воды между сушей океаном через атмосферу. Биогеохимический круговорот совершается лишь в пределах биосферы. Сущность этого круговорота в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Главным источником энергии круговорота является солнечная энергия, порождающая фотосинтез.

Наиболее совершенны биогеохимические циклы углерода, азота, кислорода. Поглощение азота растениями ограничено, хотя содержание его в атмосфере велико около 78%. Редуценты разлагают органическое вещество умерших организмов и превращают их в аммонийные соединения, нитраты и нитриты. Азот возвращается в атмосферу вместе с выделяющимися при гниении органических остатков газами. Биогеохимический круговорот в биосфере помимо кислорода, азота, углерода, совершают и другие элементы, входящие в состав органических веществ – сера, фосфор, железо и др.

Учение о биосфере

Создателем учения о биосфере и ее эволюции является Вернадский В.И. (1863–1945) ученый, основатель геохимии и биогеохимии. Он же выдвинул теорию о мощном воздействии на окружающую среду человека и о преобразовании современной биосферу в ноосферу (сферу разума).

Биосфера (от греч. bios – жизнь и сфера) – внешняя оболочка Земли, включающая в себя как область распространения живого вещества, так и само это вещество. По выражению В.И. Вернадского «живая природа является основной чертой проявления биосферы, она резко отличает ее тем самым от других земных оболочек. Строение биосферы прежде всего и больше всего характеризуется жизнью». Сама планета Земля имеет неоднородное строение и состоит из концентрических оболочек (геосфер). К внешним оболочкам относится литосфера, гидросфера и атмосфера, к внутренним – земная мантия и ядро.

Геосферы имеют свои специфические особенности:

· - агрегатная неоднородность – сферы отличаются агрегатным состоянием – твердое, жидкое, газообразное. Но в результате обменного процесса идет взаимодействие сфер. Каждый год около 519·10³ м³ воды испаряется с поверхности водоемов и в результате дождей и туманов приблизительно тоже количество выпадает на землю, изменяя влажность атмосферы и литосферы;

· - пространственная неоднородность – неравномерность распределения органического и минерального вещества. Основная часть веществ содержится в литосфере, гидросфере, а затем в атмосфере;

· - энергетическая неоднородность – неравномерное распределение по земной поверхности солнечной энергии (тепла и света).

Связующим фактором между различными оболочками геосферы являются обменные процессы, в преобразовании геосфер большую роль играют обменные процессы, которые происходят за счет биоты – около 90% всего вещества в верхних слоях литосферы преобразовано живыми организмами.

Биокосное вещество – это вещество, имеющее минеральную основу, которое коренным образом преобразована жизнедеятельностью живых организмов. Это, прежде всего почвенный покров, плодородие которого зависит как от содержания органического вещества, а также от содержания кислорода и воды. За миллионы лет своего существования биосфера прошла сложный путь эволюционного развития. Первым этапом эволюции является возникновение жизни из неживой материи, что стало возможно за счет появления простых органических соединений под воздействием внешних абиотических факторов – высокой температуры, ультрафиолетового излучения, вулканической деятельности. Вторым этапом эволюции жизни можно назвать синтез и распад органических соединений, когда продукты распада одних соединений служат материалом для построения других.

Совокупность всех живых организмов Земли В.И. Вернадский предложил называть «живым веществом», а количество живых организмов, выраженное в массе отнесенной на единицу площади или объема – биомассой. Живое вещество В.И. Вернадский считал носителем энергии в биосфере и главнейшей преобразующей силой Земли. В настоящее время существует более 2 млн видов живых организмов.

Многообразные функции живого вещества в биосфере это:

· газообмен, который привел к созданию атмосферы и связан с поглощением и выделением кислорода, углекислого газа, аммиака, водяного пара и др.;

· окислительный процесс, являющийся частью газообмена;

· восстановительный процесс, являющийся деятельностью низших организмов, преобразующих органику в неорганику;

· концентрационный процесс, заключающийся в извлечении рассеянных веществ в окружающей среде и накопление их в небольшом объеме.

Основные идеи учения В.И. Вернадского об эволюции биосферы можно выразить следующим образом. Во-первых, сначала сформировалась литосфера, затем появились живые организмы, и, как следствие их взаимодействия, образовалась биосфера. Во-вторых, в течение всей геологической истории Земли никогда не наблюдались геологические эпохи, лишенные проявлений жизни. Следовательно, современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох. В-третьих, живые организмы являются главным фактором миграции химических элементов в литосфере. В-четвертых, геологический эффект деятельности живых организмов обусловлен тем, что их количество бесконечно велико и действуют они в течение бесконечно большого промежутка времени. В-пятых, основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества.

Для обеспечения биологической регуляции окружающей среды необходимо не превышать определенные пороговые нагрузки на биосферу. В то же время культурные растения, домашние животные, интенсивно эксплуатируемы человеком сельскохозяйственные угодья и леса утратили способность к биологической регуляции. На сегодня биомасса человека, культурных растений и домашних животных составляет приблизительно около 20% биомассы всех естественных видов. Антропогенное возмущение биосферы может привести к полной потери естественной биотической регуляции и тогда потребуется создание техногенной системы управления окружающей средой в глобальном масштабе. Выполнение такой задачи невозможно, так как человечество не в состоянии обеспечить переработку потоков информации такого объема, которой исходит от биоты, потому что, например, каждый квадратный сантиметр поверхности земли обусловлен деятельностью сотен живых организмов, в клетках которых также происходит трансформация вещества, энергии и информации. Основная проблема современности не допустить, чтобы изменения, происходящие в биосфере, происходили во вред человечеству. По выражению академика В.И. Вернадского «человек становится крупнейшей геологической силой, меняющей облик нашей планеты».

Устойчивость биосферы зависит от многих факторов, суть которых состоит в следующем:

1. биосфера использует внешние источники энергии – солнечную энергию и энергию недр земли для биогеохимических процессов. В результате эволюционного развития сложился тепловой баланс на планете;

2. биосфера использует вещества через систему круговоротов. Биогеохимические циклы отработаны эволюционно и не приводят к накоплению вредных отходов;

3. в биосфере существует огромное разнообразие видов и биологических сообществ. Видовое разнообразие – это фактор, повышающий устойчивость экосистемы к воздействию внешних факторов;

4. биосфера постоянно приспосабливается к непрерывно изменяющимся условиям;

5. в биосфере происходит саморегуляция численности популяции, которая зависит от факторов природной среды.

Ноосфера – сфера разума

«С появлением на нашей планете одаренного разумом живого существа, – писал В.И. Вернадский, – планета переходит в новую стадию своей истории. Биосфера переходит в ноосферу».

Ноосфера – новое эволюционное состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится решающим фактором ее развития. Ноосфера представляет собой целостную планетную оболочку Земли, населенную людьми и рационально преобразуемую ими в соответствии с законами сохранения и поддержания жизни для гармоничного сосуществования общества и окружающей природной среды. В.И. Вернадский считал, что с появлением человека и развитием производственной деятельности к человечеству начинает переходить роль основного геологического фактора и ответственность за все происходящие на планете изменения. По его мнению, развитие ноосферы предполагает гармоничное сочетание не только природных и социальных явлений, но прежде всего достижение гармоничных отношений между самими людьми на основе идеалов равенства, добра и справедливости. В результате производственной деятельности людей возникли сложные структуры взаимодействия технических и природных комплексов, называемых природно-техническими геосистемами. Это специфические образования, распространение которых ныне во многом определяет сущность географической оболочки Земли.

Для ноосферы характерна тесная взаимосвязь законов природы с социально-экономическими законами и законами развития человеческого сообщества. Гармония между техногенной деятельностью человека и природой возможна только при выполнении следующих условий:

· перспективное планирование и рациональное использование природных ресурсов на планете;

· высокий уровень развития техники и энергетики с учетом отдаленных результатов;

· разработка и использование только экологически дружественных материалов, продукции, технологий с учетом жизненного цикла;

· максимальное использование вторичных материальных и энергетических ресурсов;

· контролирование численности человечества;

· формирование обоснованных потребностей человека;

· воспитание человека и ограничение необоснованных потребностей;

· преодоление экономической, политической и национальной разобщенности людей;

· осуществление глобального мониторинга за состоянием природной среды и др.

Учение о ноосфере – это не только научная позиция, научная теория, это и предостережение человечеству. Поскольку в первую очередь человечество определяет дальнейший ход развития биосферы, само является ее частью и вне ее (во всяком случае, при нынешнем уровне техники и технологии) существовать не может, постольку общество с необходимостью должно принять на себя ответственность за последующую эволюцию биосферы. Серьезным шагом в направлении перехода к ноосфере является принятие концепции устойчивого развития – модель такого движения вперед, при котором достигается удовлетворение потребностей нынешнего поколения без лишения такой возможности будущих поколений, т.е. это такое развитие, которое позволяет на долгое время обеспечить стабильный экономический рост, не приводящий к деградации окружающей среды.