Биосфера как основа экосистемы

7.5. Биосфера – глобальная экосистема. Учение в.И. Вернадского о биосфере и ноосфере. Живое вещество, его функции. Особенности распределения биомассы на Земле. Эволюция биосферы.

Биосфера — глобальная экосистема

Биосфера — область существования и жизнедеятельности ныне живущих организмов, которая пронизывает нижние слои атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Помимо среды обитания, в понятие биосферы включается и вся совокупность живых организ­мов, населяющих ее и обеспечивающих ее функционирование. Биосферу можно рассматривать и как многоуровневую систему элементарных экосистем — биогеоценозов.

Распространение жизни в географических оболочках Земли зависит от ряда факторов. Так, в атмосфере нарастание силы земного тяготения по мере приближения к Земле и ослабление ко­мического излучения озоновым экраном обусловливает наличие условий, пригодных для жизни, в пределах 20 км над уровнем моря. В гидросфере живые существа обнаружены до глубин 11 км и более (Марианская впадина). В литосфере же они проникают на глубину 5—6 км (в среднем до 2-3 км).

Способность биосферы как открытой системы, зависящей от поступления энергии извне, обе­спечивать улавливание и прохождение потока энергии, а также круговорот веществ на планете делает ее глобальной экосистемой.

Большие круговороты веществ на уровне биосферы, являющиеся совокупностью малых кру­говоротов и представляющие собой совокупность путей перемещения веществ через живые орга­низмы и среду их обитания, называются биогеохимическими циклами. Биогеохимические циклы гораздо более замкнуты, нежели малые круговороты на уровне биогеоценозов. Неполная зам­кнутость биогеохимических циклов (95—98%) сыграла огромную роль в накоплении биогенных элементов в земной коре.

Стадии различных биогеохимических циклов протекают с неодинаковой скоростью, да и пол­ного повторения каждого цикла добиться невозможно, поскольку вся природа постоянно нахо­дится в процессе изменения. Тем не менее все биогеохимические циклы в природе взаимосвязаны и обеспечивают существование жизни.

Биогеохимические циклы напоминают колеса водяной мельницы, которые под действием потока энергии Солнца обеспечивают перемещение, видоизменение и перераспределение энер­гии и веществ в биосфере. Сам термин «биогеохимический цикл» был введен в начале XX века В. И. Вернадским.

«Лопатками» на «колесах» биогеохимических циклов служат различные экологические груп­пы организмов — продуценты, консументы и редуценты, от соотношения которых в биосфере зависит как улавливание солнечной энергии, так и полнота оборота веществ. Для обеспечения устойчивого потока энергии и круговорота веществ в биосфере необходимы не только видовое раз­нообразие организмов, но и саморегуляция этой глобальной экосистемы благодаря существованию многочисленных прямых и обратных связей.

Термин «биосфера» в значении «зоны жизни» и внешней оболочки Земли впервые был упо­треблен Ж.-Б. Ламарком в 1802 году, однако его трактовку, близкую к современной, предложил в 1875 году австрийский ученый Э. Зюсс.

Источник

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).

Источник

Тема: «Учение о биосфере. Биосфера как экологическая система»

Учение В. И. Вернадского о биосфере. Основные законы биосферы.

Основные свойства биосферы.

Биосфера как экологическая система.

Современный этап развития биосферы.

Планета Земля уникальна среди других планет Солнечной системы. Только на ней в тонком слое, где взаимодействуют вода (гидросфера), земля (литосфера) и воздух (атмосфера), обитают живые организмы, в том числе и человек. Этот слой называется биосферой (греч. bios – жизнь, sphera – шар).

Биосфера – это оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов. В неё входят не только растительный покров и животные, населяющие нашу планету, но и все реки, моря, озёра, океаны, весь почвенный слой и самый верхний слой земной коры – зона выветривания, а также значительная часть атмосферы. Верхняя граница биосферы находится на высоте 15-20 км от поверхности земли, в стратосфере. Дальше она ограничивается бактерицидным действием УФО и космического излучения. Нижняя граница жизни проходит по литосфере на глубине 2-3 км и по дну океана в гидросфере. Жизнь здесь сосредоточена в основном в верхних частях литосферы и гидросферы.

Термин «биосфера» ввёл австрийский учёный Э. Зюсс в 1875 г., понимавший её как тонкую плёнку жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющую «лик Земли». Заслуга же создания целостного учения о биосфере принадлежит В. И. Вернадскому (1863-1945). Основы этого учения он изложил в 1926 году в своей книге «Биосфера». Его идеи намного обогнали научный уровень той эпохи, в которой он работал и поэтому настоящее признание и осознание его идеи получили лишь в 60 — 70 гг. ХХ века, когда родилась ЭКОЛОГИЯ как интегральное межотраслевое учение об окружающей среде и месте человека в ней.

Учение в. И. Вернадского о биосфере

В. И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую, наряду с организмами, и среду их обитания. Он выделил в биосфере 7 разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ:

живое вещество – совокупность всех живых организмов, выраженная через массу, энергию и химический состав;

биогенное вещество – горючие ископаемые, известняки и т.п., создаваемые и перерабатываемые живыми организмами;

косное вещество, образовавшееся в результате процессов, в которых живые организмы не участвуют (например, горные породы, возникающие при извержении вулканов);

биокостное вещество, создаваемое одновременно живыми организма-ми и процессами неорганической природы (например, почва, вода);

вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль).

Центральным звеном в концепции В. И. Вернадского является представление о живом веществе. «Живые организмы, – писал В. И. Вернадский, – являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, её определяющей». Он доказал, что совокупность живых организмов, когда-либо обитавших и обитающих на Земле, играет огромную роль в её геологической эволюции, а также во всех физических и химических процессах, протекающих на земной поверхности и в толще вод.

На первый взгляд, роль «живого вещества» сильно преувеличена. Ведь совокупная доля всех живых организмов даже не в общей массе Земли, а пределах её современной биосферы составляет всего 0,01%. На самом деле, обладая высокой геохимической активностью, они способны усваивать солнечную энергию в процессе фотосинтеза и использовать её для образования сложных соединений из простых веществ, имеющихся на Земле. В результате распада, трансформации и синтеза формируются «биокостные природные тела» – почва, полезные ископаемые, наконец, кислород, входящий в состав земной атмосферы. «Именно живые организмы, – писал В. И. Вернадский, – своим дыханием, своим питанием, своим метаболизмом, своей смертью и своим разложением, постоянным использованием своего вещества, а главное, длящейся сотни миллионов лет непрерывной сменой поколений, своим рождением, размножением порождают это одно из грандиознейших планетарных явлений, не имеющих место нигде, кроме биосферы».

Так как материалы и энергию для обменных процессов живые существа чер-пают в окружающей среде, они преобразуют её уже тем, что живут в ней.

Живое вещество биосферы подлежит изучению на трёх уровнях: популяции, сообщества и экосистемы.

ПОПУЛЯЦИЕЙ называют группу особей одного вида, находящихся во взаимодействии, совместно населяющих общую территорию и воспроизводящую себя в поколениях. Экологическую популяцию можно определить как население одного вида на определённой территории.

СООБЩЕСТВА организмов связаны теснейшими материально-энер-гетическими связями с неорганической средой. Растения существуют за счёт постоянного поступления в них воды, углекислого газа, минеральных солей. Организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических соединений с использованием энергии Солнца, называют автотрофами, а с использованием энергии, освобождающейся при химических реакциях – химотрофами. Организмы, питающиеся готовыми органическими веществами называют гетеротрофами.

Совокупность, на известном протяжении земной поверхности, однородных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира, мира микроорганизмов, почвы, геологических условий), имеющую свою особую специфику взаимодействия этих слагающих её компонентов и определённый тип обмена веществ и энергии, находящуюся в постоянном движении и развитии, называют «биогеоценозом» («био» – жизнь, «гео» – земля, «ценоз» – сообщество). По своей сущности, это динамически уравновешенная система, сложившаяся в результате длительной и глубокой адаптации составных компонентов, в которой осуществляется круговорот веществ. Биогеоценозы – это сугубо земные образования, включающие в себя две компоненты: биотическую – сообщество живых растительных и животных организмов, и абиотическую, или совокупность неживых факторов среды, состоящую из климата и геологической среды. Причём, это не простая совокупность живых организмов и среды их обитания, а особая, единая форма существования организмов и окружающей среды, диалектическое единство всех экологических компонентов, обусловленное взаимозависимостью и причинно-следственными связями.

Каждый живой организм или их совокупность выполняют определённую биологическую функцию, которая либо начинает какой-то процесс, либо служит его промежуточным звеном, либо завершает его. Такая согласованная и взаимосвязанная деятельность живых организмов Земли находится в самой тесной связи с окружающей средой и её основными факторами физического, химического, биологического характера, и создаёт сложное построение жизни в разных её проявлениях – ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ СИСТЕМУ (например, луг, озеро, лес и т. п.). Экосистема, в сущности, это более научное обозначение того, что мы называем «Природой».

Важнейшим свойством биогеоценоза (экосистем) является устойчивость, сбалансированность процессов обмена веществом и энергией между всеми компонентами, т.е. динамического равновесия, или гомеостазиса. С точки зрения науки управления, гомеостазис обеспечивается механизмом «обратной связи», в основе которой лежит обмен информацией между управляемыми и управляющими компонентами. Любая экосистема всегда сбалансирована, устойчива, гомеостатична.

Человек по необходимости постоянно вмешивается в экосистемы, нарушая их устойчивость. Он также нарушает и естественный круговорот веществ. Загрязняя воду и воздух, вырубая леса, сжигая топливо, фиксируя атмосферный азот в продуктах производства, человек замыкает на себя биотический круговорот элементов и вынужден брать в свои руки частично или полностью управление химией окружающей среды.

К основным уникальным особенностям живого вещества, обусловленным концентрацией в нём больших запасов энергии и обусловливающим его крайне высокую преобразующую деятельность, можно отнести следующие:

Способность быстро занимать (осваивать) всё свободное пространство. Она связана как с интенсивным размножением, так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела или образуемых ими сообществ.

Движение, причём, не только активное (под действием силы тяжести, гравитационных сил и т. п.), но и активное (например, против течения воды, силы тяжести, движения воздушных потоков и т. п.).

Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти (включение в круговороты веществ в Природе), с сохранением при этом высокой физико-химическую активности.

Высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни, но и крайне трудных по физико-химическим параметрам условий.

Например, некоторые организмы выносят температуры, близкие к значениям абсолютного нуля (–273 С), другие встречаются в термальных источниках с температурой до +140 С, в водах атомных реакторов, в бескислородной среде, в ледовых панцирях и т. п.

Феноменально высокая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков (в сотни, тысячи раз) значительнее, чем в неживом веществе.

По В. И. Вернадскому, живое вещество — это форма чрезвычайно активированной материи, которая, благодаря биологическим катализаторам (ферментам), совершает, по выражению акад. Л. С. Берга, с физико-химической точки зрения что-то невероятное. Например, организм способен фиксировать в своём теле молекулярный азот атмосферы при обычных для природной среды значениях температуры и давления, а в промышленных условиях связывание атмосферного азота до аммиака требует температуры порядка 500 °С и давления 300-500 атмосфер.

О феноменальности этого свойства можно также судить по скорости переработки вещества организмами в процессе жизнедеятельности. Например, гусеницы некоторых насекомых потребляют за день количество пищи, которое в 100-200 раз больше веса их тела. Дождевые черви (масса их тел примерно в 10 раз больше биомассы всего человечества) за 150-200 лет пропускают через свой организм весь однометровый слой почвы. По представлениям В. И. Вернадского, практически все осадочные породы, а это слой до 3 км, на 95-99% переработаны живыми организмами.

Высокая скорость обновления живого вещества.

Подсчитано, что в среднем для биосферы она составляет 8 лет, при этом для суши – 14 лет, а для океана – 33 дня. В результате высокой скорости обновления живого вещества за всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли. В пределах биосферы практически каждый химический элемент проходит через цепочку живых организмов, включается в систему биогеохимических превращений. Так, весь кислород Планеты – продукт фотосинтеза высших растений и фитопланктона Мирового океана, обновляется через каждые 2000 лет, а вся углекислота – через каждые 300 лет.

Всю деятельность живого вещества в биосфере можно, с определённой долей условности, свести к нескольким основополагающим функциям, которые позволяют значительно дополнить представление о его преобразующей биосферно-геологической деятельности. В. И. Вернадский выделял девять функций живого вещества (законы Вернадского). В настоящее время название этих функций несколько видоизменено, часть из них объединена и в современной классификации законы Вернадского выглядят следующим образом:

Энергетическая функция связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей её по цепям питания, рассеиванием. Эта функция – одна из важнейших.

2. Газовая функция связана со способностью изменять и поддерживать определённый газовый состав среды обитания и атмосферы в целом.

С газовой функцией в настоящее время связывают два переломных периода в развитии биосферы. Первый из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от современного уровня (первая точка Пастера). Это обусловило появление первых аэробных организмов. С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Это произошло примерно 1,2 млрд. лет назад. Второй переломный период в жизни биосферы связан со временем, когда содержание кислорода в атмосфере достигло 10% от современного уровня (вторая точка Пастера). Это создало условия для синтеза озона и образования озонового слоя в стратосфере, в связи с чем появилась возможность освоения организмами суши (до этого функцию защиты организмов от губительного действия солнечного УФО и космического излучения выполняла вода, под слоем которой была возможна жизнь).

3. Окислительно-восстановительная функция связана с интенсификацией под влиянием живого вещества процессов как окисления, благодаря обогащению среды кислородом, так и восстановления, прежде всего в тех случаях, когда идёт разложение органических веществ при дефиците кислорода. Восстановительные процессы обычно сопровождаются образованием и накоплением сероводорода и метана, что делает практически безжизненными глубинные слои болот, а также значительные придонные толщи воды (например, в Чёрном море). Данный процесс, в связи с деятельностью человека, прогрессирует.

4. Концентрационная функция связана со способностью организмов концентрировать в своём теле рассеянные химические элементы, повышая их содержание, по сравнению с окружающей организмы средой, на несколько порядков (по марганцу, например, в теле отдельных организмов – в миллионы раз). Результат концентрационной деятельности – залежи горючих ископаемых, известняки, рудные месторождения и т. п.

5. Деструктивная функция выражается в разрушении организмами и продуктами их жизнедеятельности, в том числе и после их смерти, как самих остатков органического вещества, так и косных веществ. Основной механизм этой функции связан с круговоротом веществ и наиболее существенную роль в этом отношении выполняют низшие формы жизни – грибы, бактерии.

6. Транспортная функция – это перенос вещества и энергии в результате активной формы движения материи. Часто такой перенос осуществляется на колоссальные расстояния, например, при миграциях и кочёвках животных.

7. Средообразующая функция является в значительной мере интегративной. С ней, в конечном счёте, связано преобразование физико-химических параметров среды.

В широком плане результатом данной функции является вся природная среда. Она создана живыми организмами, они же и поддерживают в относительно стабильном состоянии её параметры практически во всех сферах.

В более узком плане средообразующая функция живого вещества проявляется, например, в образовании почв. В. И. Вернадский недаром называл почву биокостным веществом, подчёркивая роль живого вещества в её создании и существовании.

Локальная средообразующая деятельность живых организмов и особенно их сообществ проявляется также в трансформации ими метеорологических параметров среды. Например, в лесных сообществах микроклимат существенно отличается от открытых (полевых) пространств. Здесь меньше суточные и годовые колебания температур, выше влажность воздуха, ниже содержание углекислоты в атмосфере и повышенное в почве.

Из других средообразующих свойств растительного покрова следует назвать очистку воздуха и вод от загрязнений, усиление питания подземных водоисточников, сохранение почв от разрушения и пр.

8. Рассеивающая функция живого вещества является противоположной концентрационной.

Она проявляется через трофическую (питательную) и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, гибели организмов от разного рода перемещений в пространстве, смене покровов. Железо гемоглобина рассеивается, например, кровососущими насекомыми.

9. Информационная функция живого вещества выражается в том, что живые вещества и их сообщества накапливают определённую информацию, закрепляют её в наследственных структурах и затем передают последующим поколениям. Это одно из главных проявлений адаптационных механизмов.

По учению В. И. Вернадского, биосфера это не просто совокупность живых организмов, а единая термодинамическая оболочка Земли, в которой сосредоточена жизнь и осуществляется постоянное взаимодействие всего живого с неорганическим миром. Более того, жизнь – это связующее звено между Космосом и Землёй, которое способно трансформировать минеральные вещества, создавать новые формы материального мира. Появление жизни – это качественно новый этап эволюции Земли. Именно плёнка жизни, возникшая около 3,5-3,8 миллиарда лет тому назад (при возникновении Земли – около 4-4,5 млрд. лет) на поверхности планеты, многократно ускорила все процессы за счёт способности поглощать и утилизировать энергию Солнца. Сравнение ровесниц – Земли и Луны – наглядно демонстрирует эффективность жизни как катализатора процесса развития нашей планеты.

Биосфера – это система с прямыми и обратными (отрицательными и положительными) связями, которые, в конечном счёте, обеспечивают механизмы её функционирования и устойчивости.

Источник