Биосфера и место человека в биосфере

Термин «биосфера» появился в науке в 1875 г., однако первые представления о биосфере складывались уже в начале 19 в. Эти первые представления были, в частности, отражены в работе «Гидрология» Ж.Б. Ламарка (1802). Не пользуясь понятием «биосфера, он писал, что «все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов». В 1826 г. немецкий ученый Гумбольдт ввел понятие «жизненная среда», понимая под этим оболочку Земли, куда включал атмосферные, морские и континентальные процессы и весь органический мир. Так в науке формировалось понятие пространства, охватываемого жизнью и ей же создаваемого. Геолог Э. Зюсс назвал это пространство «биосферой». Впоследствии понятие биосферы разрабатывалось разными исследователями. Считается, что наиболее полно концепция биосферы разработана в трудах отечественного естествоиспытатели и философа В.И. Вернадского (1863-1945). В 1926 г. вышла его работа «Биосфера», в котором ученый изложил свое учение о «живом веществе» и его геологических функциях. Суть его учения заключается в следующем:

биосфера – это целостная организованная система живого вещества;

все явления в ней – часть единого механизма биосферы;

живое вещество – это то звено, которое соединяет историю химических элементов с с эволюцией организмов и человека и с эволюцией всей биосферы.

Биосфера сыграла определяющую роль в возникновении атмосферы, гидросферы и литосчферы. Биосфера представляет собой единство живого и минеральных элементов, вовлеченных в сферу жизни. Биосфера в своем естественном состоянии – это монолит жизни.

Органическая жизнь сосредоточена в литосфере (верхняя часть твердой поверхности земной коры), в гидросфере (моря, реки, озера и Мировой океан), а также в тропосфере (нижние слои атмосферы).

Нижняя граница биосферы опускается на 2-3 км на суше и на 1-2 км ниже дна океана, а верхней служит так называемый озоновый экран на высоте 20-25 км, выше которого жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца убивает все живое. Человеческое общество с его производством и созданной им искусственной средой – техносферой также является частью биосферы. Суммарная биомасса живых организмов Земли оценивается примерно в 2,4×10¹² т, причем основная ее часть (более 99%) образована наземными животными, растениями и организмами. Биомасса организмов океана ничтожно мала по сравнению с биомассой наземных организмов.

Жизнь распространена по земной поверхности крайне неравномерно и в различных природных условиях принимает вид относительно независимых комплексов – биогеоценозов или экосистем. Живая часть биогеоценоза носит название биоценоза.

Разнообразные процессы и явления, протекающие в биосфере, являются объектом исследований различных наук. Особое место при этом отводится экологии. Э.Геккель, впервые применивший этот термин (< греч. ойкос – дом, жилище, логос – наука) определил экологию как «..познание экономики природы, одновременное исследование всех взаимоотношений живого с органическими и неорганическими компонентами среды, включая непременно антагонистические и неантагонистические взаимоотношения животных и растений, контактирующих друг с другом. Одним словом, экология – это наука, изучающая все сложные взаимосвязи и взаимоотношения в природе, рассматриваемые Дарвином как условия борьбы за существование». В результате деятельности человека экология, дифференцируясь на множество самостоятельных наук, все больше приобретает политический и социальный оттенок, включая в себя вопросы права, экономики, социологии, технологии и др.

Связи между компонентами биосферы. Биосфера выполняет свои функции благодаря многосторонним трофико-метаболическим (т.е. обменным) связям. Все живые организмы связаны между собой энергетическими отношениями, поскольку являются объектами питания других организмов.

Понятие о трофической цепи. Живые организмы, входящие в состав биоценоза, неодинаковы с точки зрения специфики ассимиляции ими вещества и энергии из ОС. Поскольку растения не нуждаются в других живых посредниках для строительства своего организма, их называют автотрофами (самопитающимися). Поскольку они, используя энергию солнечного света, создают органическое вещество из неорганического, их называют производителями, или продуцентами. Организмы, которые не могут строить собственное вещество из минеральных компонентов, вынуждены использовать созданное автотрофами, употребляя их в пищу. их называют поэтому гетеротрофами, что означает «питаемый другими» или консументами (потребителями).

Травоядные животные - консументы 1-го порядка поедают растения – продуценты, первичные хищники – консументы 2-го порядка поедают травоядных, вторичные хищники – консументы 3-го порядка поедают хищников – консументов 2-го порядка и консументов 1-го порядка. Таким образом, создаются пищевые цепи из продуцентов и консументов. И продуценты и консументы на разных этапах своего жизненного цикла смыкаются с редуцентами, или деструкторами (т.е. разрушителями): микроорганизмами, бактериями, грибами. Редуценты разлагают выделения животных, микроорганизмов, мертвые организмы и минерализуют их до воды, СО₂ и минеральных удобрений. Таким образом, в сообществе живых организмов от звена к звену циркулируют питательные вещества и энергия (см. рис. 1).

Экологические факторы. Среда, окружающая живые организмы, т.е. материальные тела и явления, с которыми организм находится в прямых или косвенных отношениях, характеризуется огромным разнообразием. Это многообразие элементов, явлений, условий рассматриваются в качестве экологических факторов.

Экологический фактор – это любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное воздействие на живые организмы хотя бы на протяжении одной из фаз индивидуального развития. Организм, в свою очередь, реагирует на экологический фактор специфичными приспособительными реакциями. Экологические факторы подразделяются на две категории: факторы неживой природы (абиотические) и факторы живой природы (биотические).

(Существуют и другие классификации экологических факторов, например, зависящие от численности тех или иных организмов и не зависящие, постоянно действующие или периодические).

Абиотические факторы. Абиотические факторы могут быть классифицированы следующим образом:

климатические: солнечный свет, температура, влага, скорость движения воздуха, давление;

химические: газовый состав воздуха, солевой состав воды, концентрация, кислотность и состав почвенных растворов;

эдафогенные, или почвенные: механический состав почв, влагоемкость, плотность, воздухопроницаемость;

орографические (< греч. гора): высота над уровнем соря, рельеф, экспозиция склона.

Биотические факторы. Под биотическими факторами понимают совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие. Они могут быть, в свою очередь, подразделены на

фитогенные: влияние растительных организмов;

зоогенные: влияние животных организмов;

микробиогенные: вирусы, простейшие, бактерии;

антропогенные: деятельность человека.

Растения создают первичное органическое вещество на Земле и, следовательно, представляют собой пищу для всех иных живых организмов. Любой вид животных обладает четкой избирательностью к составу пищи. Среди животных есть виды, которые могут питаться одним видом растений или животных (монофаги) и многими видами (полифаги).

Типы взаимоотношений между животными весьма разнообразны. Можно назвать некоторые из них.

1. «Хищник – жертва», т.е. непосредственное преследование и пожирание одних видов другими.

2. Комменсализм - взаимоотношение, когда один вид питается остатками пищи другого.

3. Синойкия – использование одними животными нор и гнезд других.

4. Нейтрализм – взаимонезависимость совместно обитающих видов.

5. Протокооперация – совместное гнездование нескольких видов птиц, способствующее защите от хищников.

6. Интерференция – ненамеренное подавление одного вида другим.

Лимитирующие факторы. В 1840 г. химик – органик Ю. Либих (1803-1873) выдвинул теорию минерального питания растений, в которой утверждается, что развитие растений зависит не только от тех химических элементов или веществ (факторов), которые присутствуют в достаточном для организма количестве, но и от тех, которых не хватает. Например, избыток воды или азота не заменяет недостатка бора или железа, которые обычно присутствуют в почве в малых количествах. Либих сформулировал «закон минимума» (называемый также «законом Либиха»), согласно которому необходимо увеличивать содержание в почве минерального вещества, находящегося в минимальном количестве. Разумеется, закон Либиха справедлив не только для растений.

Спустя 70 лет американский ученый В.Шелфорд доказал, что не только вещество или какой-либо другой фактор (например, температура, давление и т.п.), присутствующее в минимуме, может определять урожай или жизнеспособность организма, но и избыток какого-то элемента может приводить к нежелательным последствиям. Например, многие животные и растения могут поддерживать жизнедеятельность лишь в некотором узком диапазоне рН. Согласно В.Шелфорду, факторы, присутствующие как в избытке, так и в недостатке по отношению к оптимальным требованиям организма, называются лимитирующими, а соответствующее правило получило название «закона лимитирующего фактора», или «закона толерантности» (толерантность = терпимость). Действие закона толерантности проиллюстрировано на рис. 2.

Экологическая ниша. Любой живой организм адаптирован к определенным условиям окружающей среды. Требования того или иного организма к факторам среды обуславливают границы его распространения (ареал) и место, занимаемое в экосистеме. Совокупность множества параметров среды, определяющих условия существования того или иного вида и его функциональных характеристик (преобразование им вещества и энергии, обмен информацией со средой и с себе подобными и др.) представляет собой экологическую нишу. Таким образом, экологическая ниша включает не только положение вида в пространстве, но и его функциональную роль в сообществе (например, трофический уровень) и его положение относительно абиотических факторов (температура, влажность и т.п.). Определить экологическую нишу какого-либо вида, по образному выражению, означает сказать: где он живет, как он живет, кого он ест и кто его ест.

В настоящее время одним из важнейших биотических факторов является антропогенный фактор.