Структура биосферы. Понятие экосистемы

 

Понятие биосферы как среды обитания живых организмов или сферы, занятой жизнью, было предложено в 1878 г. австрийским ученым Э. Зюссом. Позднее В.И. Вернадский подошел к биосфере как планетной среде, в которой распространено живое вещество. Живое вещество рассматривается как особое проявление термодинамических, физических и химических условий планеты, способное организовывать их таким образом, чтобы иметь максимальную устойчивость во времени и пространстве. Биосфера - это не только наружная оболочка Земли, охваченная жизнью, но и структурно ею организованная. Живое вещество за время своего существования глубоко изменило первоначальную природу планеты. Жизнь как бы сама приспосабливала среду и оптимизировала условия. В стратосфере возник озоновый экран, защищающий живые существа от гибельного воздействия ультрафиолетовых лучей и других космических излучений.

Ограниченность ресурсов азотно-углеродного, водного, воздушного и минерального питания живое вещество преодолело путем создания почвенного покрова, синтеза высокодисперсных минералов (обеспечивающих сорбцию соединений азота, фосфора, кальция, калия и др.), более эффективной аккумуляции гумусно-органических соединений макро- (С, N, Р, Са, S, К) и микроэлементов (J, Zn, Cu, Co, Se и др.). По своему биохимическому значению в поддержании жизни на планете почвенный покров сравним с озоновым экраном в стратосфере.

Фотосинтез явился механизмом накопления активной биохимической энергии в массах органического вещества, в почвенном гумусе в виде ископаемых горючих.

Возник и показал свою исключительную роль механизм «сотрудниче­ства» (симбиоза) между растениями, животными, насекомыми, низшими беспозвоночными, микроорганизмами с образованием так называемых пищевых цепей. Пищевые цепи обеспечивают длительное удержание внутри экосистем энергии, связанной фотосинтезом, и резерва биофильных элементов (С, N, К, S, Са, Мg и др.), необходимых для новых поколений живого вещества. На этой основе слагаются главные звенья биогеохимического круговорота веществ.

Согласно современным представлениям о структуре биосферы, основанным на идеях В.И. Вернадского, биосфера как место обитания организмов вместе с самими организмами может быть разделена на три подсферы: аэробиосферу, гидробиосферу и геобиосферу.

Аэробиосфера населена организмами, субстратом жизни которых служит влага воздуха. Лимитирующими факторами жизни в аэробиосфере являются наличие капель воды и твердых аэрозолей, поднимающихся с поверхности Земли, а также положительные температуры. Аэробиосфера в свою очередь распадается на две субподсферы: тропобиосферу и альтобиосферу.

Гидробиосфера - это весь глобальный мир воды, населенный гидробионтами. В свою очередь гидробиосфера включает аквабиосферу - мир континентальных, в основном пресных, вод и маринобиосферу (мир морей и океанов).

Геобиосфера - обитель геобионтов, средой жизни для которых служит земная твердь. Геобиосфера делится на пять субподсистем, в число которых входит литобиосистема.

Биологический спектр биосферы имеет ступенчатый характер: сообщество, популяция, организм, орган, клетка, ген.

 

гены	клетки	органы	организмы	популяции	сообщества
­Ї	­Ї	­Ї	­Ї	­Ї	­Ї
в е щ е с т в о	э н е р г и я
­Ї	­Ї	­Ї	­Ї	­Ї	­Ї
генетические системы	клеточные системы	системы органов	системы организмов	популяционные системы

 

Рис. 3.1. Предмет изучения в экологии

 

Следует отметить, что в спектре нельзя найти резких границ (в функциональном смысле), поскольку каждый уровень интегрирован, взаимосвязан с другими.

Как и организм, изолированный от популяций, не в состоянии жить долго, сообщество не может существовать, если в нем не происходит круговорота веществ и в него не поступает энергия.

Любая единица (биосистема), включающая все совместно функционирующие на данном участке организмы (биотическое сообщество) и взаимодействующая с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот веществ между живой и неживой частями, представляет собой экологическую систему.

Концепцию экосистемы можно осознать на простой модели, представленной на рисунке 3.2, где Е - движущая сила, Р - свойства, F - потоки, Y - взаимодействие.

 

 

 

 

Рис. 3.2. Линейная модель экосистемы

 

Р₁ и Р₂ обозначают два свойства, которые при взаимодействии с Y - дают третье свойство Р₃, когда система получает энергию от источника Е.
F₁ - F₂ - направление потоков вещества и энергии, из которых F₁ - на входе, и F₂ - на выходе. Эта блок-схема может служить моделью образования смога в воздухе над каким-либо городом.

Р₁ и Р₂ - углеводороды и оксиды азота (два типа химических компонентов выхлопных газов автомобилей). Р₃ - смог, образующийся из данных компонентов под воздействием солнечной энергии, вследствие чего воздействие Р₃ (смога) более опасно для здоровья, чем отдельно Р₁ и Р₂.

Блок-схема на рис. 3.2 характеризует линейную экосистему. Но природные экосистемы чаще всего имеют кольцевую или петлеобразную структуру (рис. 3.3).

 

 

 

Рис. 3.3. Частично замкнутая система

 

Таковой, например, является экосистема города, в котором ресурсы. А превращаются в полезные товары. В, а образующиеся отходы. С после переработки снова запускаются в производство, что уменьшает количество отходов (выбро­сов).

В любой экосистеме, с учетом обратной связи, наличествуют четыре основных компонента: поток энергии, круговорот веществ, сообщество и управляющая петля обратной связи. Поток солнечной энергии, пронизывающий экосистему, частично преобразуется сообществом и переходит на качественно более высокую ступень, трасформируясь в энергию химической связи в органическом веществе. Большая часть солнечной энергии деградирует (поки­дает систему в виде тепла - тепловой сток). Энергия может накапливаться, трансформироваться, но ее нельзя использовать вторично. Однако элементы питания (биогенные элементы) и вода используются многократно!

Следует отметить кибернетическую природу экосистемы, т.е. помимо потоков энергии, круговорота веществ они характеризуются информационными сетями (физические и химические сигналы, которые связывают все части системы и управляют ею как одним целым).

Принцип обратной связи во многом определят стабильность экосистем. Различают резисторную и упругую стабильности.

Резисторная - способность экосистемы сопротивляться нарушениям, поддерживая неизменным свою структуру и функцию.

Упругая - способность восстанавливаться после того, как ее структура и функции были нарушены.

 

Классификация экосистем

 

В общем виде экосистемы подразделяются на естественные (луг, тундра, пустыня, лес, озеро, море, океан) и искусственные (город, агроэкосистема, аквариум, космический корабль).

По структурным признакам:

1. Наземные: тундра, степь, савана, хвойные леса, тропики

2. Пресноводные: озера, пруды, река, ручьи, болота

3. Морские: открытый океан, прибрежные воды, проливы и пр.

 

По источникам энергии - четыре типа функциональных систем:

1. Природные, движимые солнцем, несубсидируемые (открытые океаны и высокогорные леса: Е=1000-10000 ккал/м²).

2. Природные, движимые солнцем и субсидируемые другими естественными источниками (воды континентального шельфа, некоторые дождевые леса: Е=10000-40000 ккал/м²).

3. Движимые солнцем и субсидируемые человеком (агроэкосистемы, аквариумы: Е=10000-40000 ккал/м²).

4. Города, пригороды, индустриальные зоны, движимые топливом (ис­копаемым, ядерным и т.д.). Глобальный источник не солнце, а топливо, хотя эти экосистемы зависят от первых трех.

В своем развитии человеческое общество прошло через все отмеченные четыре типа экосистем. Но сейчас - резкая поляризация развития: высокоразвитые страны потребляют в крупных масштабах нефть, уголь, газ. «Тре­тий мир» зависит от биомассы (древесины) как основного источника энергии (т.е. движима солнцем).

Подобно тому, как природные силы сменила эра горючих ископаемых, на смену им придет эра атомной энергии.