Биосфера как экологическая система
Любое природное тело, процесс, явление могут быть представлены как совокупность взаимосвязанных и взаимозависимых частей, элементов, иначе говоря, – в виде системы. Следовательно, организованность – важнейшее свойство окружающего нас мира, реализующееся в виде структурных различий составляющих частей. Эти различия проявляются в виде соподчиненных или структурных иерархических уровней.
В зависимости от выделяемых частей природный объект может быть представлен в виде физических, химических, биологических и иных систем. Однако представление природного объекта в виде какой-либо одной системы всегда неполно, отражает только отдельные его стороны.
Термин «экология» (греч. oikos – жилище, место обитания, logos – наука) предложил Э. Геккель в 1866 г. для обозначения науки, изучающей взаимоотношения животных с органической и неорганической средами. Возможны и иные определения понятия «экология». Вот некоторые из них.
«Экология – наука, исследующая закономерности жизнедеятельности организмов (в любых ее проявлениях, на всех уровнях интеграции) в их естественной среде обитания с учетом изменений, вносимых в среду деятельностью человека». «В глобальной экологии центральное место заняло влияние совокупной человеческой деятельности на природу в целом и на ее отдельные элементы». «Экология – наука, изучающая взаимодействие организмов с окружающей средой».
Представление объекта в виде экологической системы возможно только при выполнении единственного условия – хотя бы одна из частей системы должна быть какой-либо формой живого. При этом не особенно важно, каковы характеристики живого. Это могут быть биомасса, количество видов, количество хлорофилла и т. п. Принципиально только одно: и мир в целом, и отдельные образования рассматриваются как единство живого и неживого, его окружения. Живое является полноправным компонентом мироздания. В этом главная особенность и уникальность представления природных тел, процессов, явлений в виде экологической системы.
В самом общем виде под экологической системой следует понимать модель взаимосвязей между живыми организмами и неживой природой (окружающей средой).
При решении практических проблем выделение взаимосвязей между живыми организмами и окружающей средой, выбор показателей, характеризующих живое и среду, будет всегда свой для каждой конкретной задачи. Сколько задач – столько и экологических систем.
Поэтому биосфера как область распространения жизни, включающая наряду с живыми организмами и среду их обитания, является, по определению, экологической системой.
На основе общих представлений о живом и его окружении природный объект может быть изображен как экологическая система (см. рис.20).
Рис.20. Биологические системы и окружающая среда
Биота представлена в виде всего органического мира и практически эквивалентна понятию «живое вещество».
При этом очевидно, что понятие «органический мир» шире, так как содержит все органические молекулы, в том числе и вне живого. Однако эта связь подчеркивает, что органические и неорганические соединения сосуществуют в природе, обеспечивают существование друг друга, изменяются, переходя друг в друга.
В представлении об уровнях организации живой материи это биота будет включать в себя: субклеточные структуры, организм, популяцию, биоценоз, живое вещество. Окружающая среда будет представлять среду обитания (условия жизни и экологически факторы). Главная проблема состоит в том, что нет однозначного решения о разделении живой материи на некие уровни. Подходы могут быть многообразны и разносторонни.
Если учитывать связь организмов со средой обитания, то биота будет включать: растения, животные, птицы, микроорганизмы, а окружающая среда – это среда обитания (атмосфера, гидросфера, литосфера)
Ясно, что в зависимости от среды обитания конкретных видов живого будут меняться их взаимоотношения с неживым, взаимное влияние будет иметь разные скорости, последствия.
При включении в биоту человека взаимоотношения человека с окружающим миром не сводятся только к эксплуатации природы, но и к освоению ее наукой, философией, религией, искусством. Тогда в биоту будет входить: человек, особь (индивидуум, личность), группы, общества. Окружающая среда – это природная среда (социальная и духовная).
В условиях техногенной цивилизации происходит усиление роли антропогенных факторов в эволюции биосферы. Активная деятельность людей постепенно превращается в доминирующую геологическую силу. Наступает время, когда мощь техногенной цивилизации может оказаться опасной для человечества – с этого момента биосфера должна постепенно преобразовываться в ноосферу. Идея закономерного перехода биосферы в ноосферу была сформулирована Вернадским В. И. как целостная концепция управляемого взаимодействия человека и природы.
Ноосфера – сфера разума. Под ноосферой понимается та область биосферы, которая подвержена человеческой деятельности и процессы которой могут быть сознательно, целенаправленно управляемы человеком.
3.2. Биосфера как глобальная экологическая система
3.2.1. Общая характеристика биосферы
Биосфера (от греч. bios – жизнь, schaira — шар) – область системного взаимодействия живого и костного вещества планеты. Это глобальная экосистема – совокупность всех биогеоценозов планеты.
Термин биосфера впервые применил в 1875г австрийский геолог Э. Зюсс. Он понимал биосферу как оболочку, где встречаются живые организмы.
Биосфера включает три составляющие: литосферу, гидросферу и атмосферу.
По данным сейсмической разведки установлено, что в центре Земли имеется твердое внутреннее ядро r = 1 250 км, состоящее из вещества плотностью 13 г/см 3 (скорее всего металл). Вокруг него находится жидкое внешнее ядро радиусом 3 050 км, состоящее из расплавленного вещества. Далее снаружи жидкого ядра следует мантия (с глубины 2 900 до 40 км относительно уровня моря). Температура на границе ядра и мантии 4 500 ° С. Снаружи мантии расположена земная кора (20 – 40 км).
Человек сумел освоить глубину до 15 км: самая глубокая скважина на Кольском полуострове и самая глубокая шахта в Южной Америке — 3,5 км.
Земля не идеальный шар (эллипсоид). С помощью искусственных спутников установлено, что Земля имеет грушевидную форму. Северный полюс приподнят на 15 км относительно правильного эллипсоида, а Южный полюс опущен на 20 км. Эта, присущая только Земле фигура, получила название
Радиус Земного шара в плоскости экватора составляет 6 378 км, а от центра Земли до полюса – 6 357 км. Длина экватора – 40 076 км, а длина меридиана – 40 009 км. Общая площадь поверхности Земли около 510 млн км 2 , а её объём — 1,083 ·10 12 км 3 , масса – 6 ·10 12 млрд т.
Присутствие вблизи Земли большого спутника Луны существенно влияет на биосферу. Каждые 12 ч 25 мин уровень моря поднимается на ≈ 0,5 м (в океане), а через 6 часов возвращается обратно. Вблизи берегов (в Канаде до 18м
— максимум). Луна вызывает колебания атмосферного давления и тормозит вращение Земли.
Литосфера (от греч. литос — камень) — каменная оболочка Земли толщиной от 6 км (под океаном) до 80 км (в горах). Это важнейший ресурс для человечества.
Она содержит полезные ископаемые: руду, нефть, уголь, газ и т.д. Верхняя часть литосферы (до 3км) заселена по трещинам и пещерам живыми организмами. Большая их часть находится в почве ≈ 1,5 м.
Гидросфера (от греч. гидора — вода) – водная оболочка Земли. Её подразделяют на поверхностную и подземную. Общий объём гидросферы 0,13% от объёма земного шара. Основная часть гидросферы (96%) – это океаны, 1,7% — подземные воды, остальное — реки и озера. Практически вся гидросфера заселена живыми организмами. Гидросфера оказывает стабилизирующее действие на условия среды. Средняя температура у поверхности Земли практически не изменяется.
Атмосфера (от греч. атмос — пар) – газовая оболочка Земли. Она сформировалась в результате геологической эволюции и непрерывной деятельности живых организмов. Она разграничивает планету и космическое пространство, ослабляет излучения и сглаживает резкие колебания температуры в биосфере. Атмосфера состоит из нескольких сфер: тропосферы, стратосферы, мезосферы и ионосферы, между которыми располагаются переходные слои — паузы.
Химический состав воздуха до высоты 100 км остается практически постоянным (азот — 78,09 %, кислород — 20,94 %, аргон — 0,93 %, диоксид углерода — 0,03 %, остальные газы — в микроколичествах). Выше сильно возрастает ионизация газов за счет фотодиссоциации, атмосфера состоит в основном из кислорода и азота в атомарном состоянии. Выше 600 км в
атмосфере преобладает гелий, а выше 2 000 — 3 000 км — водород.
В тропосфере обитают насекомые,
птицы и млекопитающие,
происходят глобальные вертикальные и
воздушных масс, которые определяют круговорот воды, теплообмен и перенос загрязнений.
Главная причина переноса воздушных масс – подъём теплого (легкого) воздуха (конвекция) и замещение его снизу холодным. Воздух вблизи экватора прогревается быстрее и устремляется вверх до высоты 17 км, далее на больших высотах воздух растекается на север и юг. Вертикальные потоки переходят в горизонтальные. Теплый воздух в верхней части тропосферы частично охлаждается, рассеивая теплоту в космос. В средних широтах он опускается и устремляется обратно к экватору. Время перемещения на расстояние земного радиуса составляет неделю. Неделя – характерное время изменения погоды. Средняя скорость воздуха у поверхности 10м
с (36км
ч).
На высоте 10 км плотность воздуха в 10 раз меньше, скорость ветра составляет 100 м
с и более. Из-за вращения Земли верхние ветры отклоняются
и становятся западными, а нижние – восточными.
В разряженных слоях атмосферы происходит расширение воздуха, и он охлаждается; из-за конденсации паров воды образуются облака. Над тропиками на высоте 17 км температура — 75 ° С, воздух становится очень сухим.
Опускаясь, воздух увеличивает свою плотность, нагреваясь за счет этого ° до +30
Опускание теплого сухого воздуха происходит на широтах 25 – 30 в обоих полушариях, именно там находятся крупнейшие пустыни Земли (Сахара в Африке, Аравийская и Таир – в Азии).
Очень важной характеристикой атмосферы является наличие озонового слоя, который в 6 500 раз ослабляет ультрафиолетовые излучения (УФИ), крайне опасные для всего живого на Земле. Озон образуется в атмосфере на высоте 30-50 км, путем взаимодействия атомарного и молекулярного кислорода
O 2 + O + M → O 3 + M
где — M — «третье» тело (ещё одна молекула O 2 , N 2 , аэрозоли и др.).
На меньших высотах скорость образования озона увеличивается за счет увеличения концентрации газов и уменьшается из-за поглощения света, именно
поэтому максимальное содержаниеO 3 — на высоте 25 км. Общее количество O 3
в атмосфере 3,3·10 9 т. Если его собрать в слой, то толщина его всего 2-3 мм. Живые организмы в атмосфере зависят от высоты (содержание кислорода, давление). Лес растет до 2 км над уровнем моря, животные обитают до 8км. Максимальная высота ограничивается температурой, при которой могут существовать живые организмы. Выше линии снегов — лишь пауки и клещи, которые питаются спорами растений.
Таким образом, особенностью всех частей биосферы является тот факт, что они все населены живыми организмами – биотой.
Живое вещество – краеугольный камень в учении о биосфере В.И. Вернадского, который считал, что на земной поверхности нет химической силы более постоянной и могущественной, чем живые организмы, взятые в целом.
Под живым веществом он понимал все количество живых организмов как единое целое.
В настоящее время описано ≈ 300 тыс. видов растений и более 1,5 млн видов животных (92% на суше и 7% — водные). Суммарная биомасса сухопутных растений составляет 93,2% (2,4·10 12 т) и 0,8% — животных (0,2·10 11
т), т.е. на 2 порядка меньше. В океане, наоборот, растений — 6,3% (0,2·10 9 т), а
животных — 93,7% (0,2·10 10 т).
Живое вещество имеет определенные свойства:
• стремление заполнить собой все окружающее пространство (некоторые формы организмов могли бы за несколько дней освоить весь земной шар, если бы не было ограничивающих факторов);
• возможность произвольного перемещения в пространстве (например, против течения, силы тяжести и ветра);
• наличие химических соединений (белков, ферментов), устойчивых при жизни и быстро разлагающихся после смерти;
Экология / 25.Биосфера как глобальная экосистема. Свойства, структура биосферы
Биосфера как глобальная экосистема. Свойства, структура биосферы.
Биосфера (от греч. bios — жизнь, sphaira — шар) — область системного взаимодействия живого и косного вещества планеты. Она представляет собой глобальную экосистему — совокупность всех биогеоценозов (экосистем) нашей планеты.
Заслуга создания целостности учения о биосфере принадлежит В. И. Вернадскому. Используя этот термины, он создал науку «биосфера», ввел понятие «живое вещество» — совокупность всех живых организмов, а также отвел живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая деятельность организмов не только в настоящее время, но и в прошлом. Поэтому биосфера — это все пространство, где существует или когда-либо существовала жизнь, т. е. где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности.
Жизнь в биосфере зависит от потока энергии и круговорота веществ между биотическим и абиотическим компонентами. Круговороты веществ называются биогеохимическими циклами. Существование этих циклов обеспечивается энергией Солнца. Наглядное представление о путях прохождения энергии дают пищевые цепи. Каждое их звено – это определенный трофический уровень. Первый трофический уровень занимают автотрофы, или продуценты. Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами, третьего – вторичными консументами и т.д. Продуценты – это растения, цианобактерии (сине-зеленые «водоросли») и некоторые другие типы бактерий. Консументы зависят прямо (травоядные) или косвенно (хищники) от величины чистой первичной продукции как источника энергии и веществ. Прохождение энергии через живое вещество представляет собой путь от света к продуцентам, далее к консументам, а от тех и других – к теплу. Этот путь – поток, а не круговорот, поскольку в виде тепла энергия рассеивается в окружающей среде и не может снова использоваться для фотосинтеза. Таким образом, энергетический поток через живое вещество – это процесс потери накопленной организмами энергии. Поддержание динамического равновесия между биотическим и абиотическим компонентами биосферы является необходимым условием существования всех форм жизни. Воздействие человека на биосферу, сопровождающееся ухудшением качества воды, сведением лесов или выбросом в атмосферу загрязняющих веществ, может создать угрозу жизни на Земле Свойства биосферы.
Биосфере, как и составляющим ее другим экосистемам, более низкого ранга, присуща система свойств, которые обеспечивают ее функционирование, саморегулирование, устойчивость и другие параметры. Свойства:
1.Биосфера — централизованная система. Центральным звеном ее выступают живые организмы (живое вещество).
2.Биосфера — открытая система. Ее существование немыслимо без поступления энергии извне. Она испытывает воздействие космических сил, прежде всего солнечной активности.
3. Биосфера — саморегулирующаяся система, для которой, характерна организованность. В настоящее время это свойство называют гомеостазом, понимая под ним способность возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения включением ряда механизмов.
4. Биосфера — система, характеризующаяся большим разнообразием. Это и разные среды жизни (водная, наземно-воздушная, почвенная, организменная); и разнообразие природных зон, различающихся по климатическим, гидрологическим, почвенным, биотическим и другим свойствам; и наличие регионов, различающихся по химическому составу; и, самое главное, объединение в рамках биосферы большого количества элементарных экосистем со свойственным им видовым разнообразием.
5. Важное свойство биосферы — наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений. Только благодаря круговоротам и наличию неисчерпаемого источника солнечной энергии обеспечивается непрерывность процессов в биосфере и ее потенциальное бессмертие.
Биосфера включает в себя:
аэробиосферу — нижнюю часть атмосферы;
гидробиосферу — всю гидросферу;
литобиосферу — верхние горизонты литосферы (твердой земной оболочки).