 |
|
Лекция № - 7 Экосистема
Цель лекции: познакомить студентов с обязательными компонентами экосистемы, формировать понятия о трофической структуре, продуктивности экосистем и экологических сукцессиях.
План лекции:
1. Концепция экосистемы
2. Пищевые цепи, пищевые сети и трофические уровни
3. Продуктивность экосистем
4. Трофическая структура экосистемы
5. Экологические сукцессии
Основные понятия по теме: экосистема, потоки вещества и энергии, биологический круговорот веществ, биогенные элементы, продуценты, консументы, редуценты, пищевая цепь, трофические уровни агроэкосистемы, сукцессия, пирамиды чисел, биомасса энергий.
В биоценозах живые организмы теснейшим образом связаны не только друг с другом, но и неживой природой. Связь эта выражается через вещество и энергию. Поступление пищи воды, кислорода в живые организмы – это потоки вещества из окружающей среды. Пища содержат энергию, необходимую для работы клеток и органов. Растения напрямую усваивают энергию солнечного света, запасают ее в химических связях органических соединений, а затем она перераспределяется через пищевые отношения в биоценозах.
При интенсивных процессах потоков вещества из неорганической природы в живые тела запасы необходимых для жизни соединений – биогенных элементов – давно были бы исчерпаны на Земле. Однако жизнь не прекращается, потому что биогенные элементы постоянно возвращаются в окружающую организмы среду. Происходит это в биоценозах, где в результате пищевых отношений между видами синтезированные растениями органические вещества разрушаются в конце концов вновь до таких соединений, которые могут быть снова использованы растениями. Так возникает биологический круговорот вещества.
Любую совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может поддерживаться круговорот вещества, называют экологической системой. Природные экосистемы могут быть разного объема и протяженности: небольшая лужа с ее обитателями, труд, океан, луг, роща, тайга, степь – все это примеры разномасштабные экосистем. Любая экосистема включает живую часть – биоценоз и его физическое окружение. Экосистема может обеспечить круговорот вещества только в том случае, если включает необходимые для этого четыре составные части:
1) запасы биогенных элементов
2) продуценты
3) консументы
4) редуценты
Продуценты – это зеленые растения, создающие из биогенных элементов органическое вещество, т.е. биологическую продукцию, используя потоки солнечной энергии. Консументы – потребители этого органического вещества, перерабатывающие его в новые формы. В роли консументов выступают обычно животные. Различают консументов первого порядка – растительные виды и второго порядка – плотоядных животных. Редуценты – организмы, окончательно разрушающие органические соединения до минеральных. Роль редуцентов выполняют в биоценозах в основном грибы и бактерии, а также другие мелкие виды, перерабатывающие мертвые остатки растений и животных.
Жизнь на Земле продолжается уже около 4 млрд лет, не прерываясь именно потому, что она протекает в системе биологических круговоротов вещества. Потоки энергии и вещества в экологии как перенос, перемещение передача энергии и вещества извне к автотрофам и далее по цепям питания от организмов одного трофического уровня к следующему. Потоки энергии в сообществе – это ее переход от организмов одного уровня к другому в форме химических связей органических соединений. Поток вещества – перемещение вещества в форме химических элементов и их соединений от продуцентов к редуцентам и далее через химические реакции сходящие без участия живых организмов вновь к продуцентам; поток веществ происходит по замкнутому циклу, по этому называется круговоротом веществ.
Пищевой цепью называется перенос энергии, заключенной в растительной пище – поскольку лишь растения создают органическое вещество из неорганического – через ряд организмов в процессе их поедания друг другом.
Организмы, получающие свою энергию от Солнце через одинаковое число ступеней, принадлежат к одному трофическому уровню (от греч. trophe – питание, пища), т.е. это совокупность организмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания. Зеленые растения (автотрофы) занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные второй (уровень первичных консументов) первичные хищники, поедающих травоядных, - третий (уровень вторичных консументов), вторичные хищники – четвертый (уровень третичных консументов.
Различают два типа пищевых цепей: пастбищная и детритная.
Пастбищная цепь: зеленое растение → растительноядное животное → хищник.
Детритная цепь: мертвое органическое вещество→ микроорганизмы (бактерии, грибы)→ мелкие животные (детритофаги) →хищник детритофагов
Пищевые цепи не изолированы одна от другой, а тесно переплетены. Они составляют так называемые пищевые сети. Принцип образования пищевых сетей состоит в следующем. Каждый продуцент имеет не одного, а несколько консументов. В свою очередь, консументы, среди которых преобладают полифаги (от греч. poly –много), пользуются не одним, а несколькими источниками питания.
Важным свойствам сообществ является их способность к созданию (продуцированию) новой биомассы. Это свойство лежит в основе понятия продуктивности системы. Скорость создания органического вещества в экосистемах называется биологической продукцией. Масса тел живых организмов называется биомассой. Таким образом, биологическая продукция экосистем – это скорость создания в них биомассы. Энергия поступает в биотический компонент экосистемы через продуцентов. Первичной продукцией называют скорость образования биомассы первичными продуцентами. Это важный параметр, так как им определяется общей поток энергии через биотический компонент экосистемы, а значит, и количество (биомасса) живых организмов, которые могут существовать в экосистеме. Из 100% солнечной энергии лишь приблизительно 1% поглощается хлорофиллом и используется для синтеза органических молекул (остальные 99% солнечной энергии отражаются, поглощаются с переходом в тепло или расходуются не испарения воды).
Скорость, с которой растения накапливают энергии., называется валовой первичной продукцией (ВПП). Примерно 20% этой энергии расходуется растениями на дыхание и другие процессы жизнедеятельности (R). Скорость накопления органического вещества за вычетом расхода энергии на дыхание и другие процессы жизнедеятельности (R) называется чистой первичной продукцией (ЧПП):
ЧПП = BNN – R
В приведенном примере ЧПП составляет 8000 кДж/м² х год, т.е. 0,8% от полученной солнечной энергии.
Для поедания одних организмов другими пища переходит с одного трофического уровня на следующий. Непереваренная часть пищи выводится животными с экскрементами. Животные, как и растения, теряют часть энергии при дыхании и других процессах жизнедеятельности. Энергия, оставшаяся после потерь, связанных с процессами дыхания, пищеварение и экскреции, идет на рост, поддержание жизнедеятельности и размножение.
Скорость накопление органического вещества гетеротрофными организмами называется вторичной продукцией (ВП). Вторичная продукция существует на всех трофических уровнях.
Энергетический баланс консументов складывается следующим образом:
Потребленная пища = рост + дыхание и другие процессы жизнедеятельности + экскременты или P = N + R + H, где Р – рацион консумента, т.е. количество пищи, съедаемой им за определенный промежуток времени, выраженное в единицах энергии; П – энергия, затрачиваемая на рост организма; R – энергия, затрачиваемая на дыхание и другие процессы жизнедеятельности; Н – энергия неусвоенной пищи, выделенной в виде экскрементов.
В каждом звене пищевой цепи часть энергии переходит в другие формы. По ориентировочным подсчетам, эти потери составляют 90% при каждом акте передачи энергии через трофическую цепь. Следовательно, если первичная продукция растительного организма составляет 1000 Дж, при полном поедании его травоядным животным в теле последнего останется из этой порции всего 100 Дж, в теле хищника – лишь 10 Дж, а если этот хищник будет съеден другим, то на его долю придется только 1 Дж (правило 10%). Таким образом, запас энергии, накопленной зелеными растениями, в цепях питания стремительно иссякает. Поэтому пищевая цепь включает обычно всего 4-5 звеньев.
Энергия же, заключенная в экскрементах, передается детритофагам и редуцентам и таким образом не теряется для экосистемы. В результате взаимодействия в пищевых цепях при переносе энергии каждое сообщество приобретает определенную трофическую структуру. В общем случае трофическую структуру можно определить количеством энергии, фиксируемой на единицу площади в единицу времени на последовательных трофических уровнях, и изобразить графически в виде экологических пирамид, основанием которых служит первый уровень, а последующие уровни образуют этажи и вершину пирамиды. Данное явление было изучено Ч.Элтоном в 1927г.
Различают три типа основных экологических пирамид.
Пирамида чисел (число особей / м²) отражает численность организмов на разных трофических уровнях. В случае пастбищных пищевых цепей леса, когда продуцентом служит дерево, а первичными консументами – насекомые, уровень первичных консументов численно богаче особями уровня продуцентов. В этом случае пирамиду чисел называют обращенной.
Пирамида биомасс характеризует общую сухую массу живого вещества на разных трофических уровнях (сухая масса органических веществ г / м²). В экосистемах с очень мелкими продуцентами и крупными консументами общая масса последних может быть в любой момент выше общей массы продуцентов, т.е. пирамида биомасс тоже может быть обращенной.
Пирамида энергий (дж / м². год) показывает величину энергетического потока или «продуктивность» на последовательных трофических уровнях. Энергетическая пирамида всегда сужается кверху при условии, что учтены все источники энергии поступающей в систему с пищей.
Из трех типов экологических пирамид пирамида энергий дает наиболее полное представление о функциональной организации сообщества. Число и масса организмов, которых может поддерживать какой-либо трофический уровень в тех или иных условиях, зависит не от количество фиксированной энергии, имеющейся в данное время на предыдущем уровне, а от скорости продуцирования пищи. В противоположность пирамидам чисел и биомасс, отражающим статику системы, пирамида энергий отражает картину скоростей прохождения массы пищи через пищевую цепь. Закон пирамиды энергий: согласно которому с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой переходит не более 10% энергии.
Этот закон, сформулированный в 1942г Р.Линдеманом, называют законом Линдемана. Его следствием является ограниченная длина пищевых цепей. Из закона вытекает очень важное правило, заключающееся в том, что максимальный переход с одного трофического уровня на другой порядка 10% энергии не ведет к пагубным для экосистемы последствиям. Использование правила 10% позволяет определять возможный и безопасный объем промысла особей.
Структура сообщества создается постепенно в течение определенного времени. Примером, который можно использовать как модель развития сообщества, служит заселение организмами обнаженной горной породы. Растения не могут расти на голой породе, так как здесь нет необходимой для них почвы. Однако водоросли, попадая на такие территории, заселяют их, образуя пионерские сообщества. Постепенное накопление отмерших и разлагающихся организмов и эрозия горной породы в результате выветривание приводят к формированию слоя почвы, достаточного для того, чтобы здесь смогли поселиться более крупные растении, такие, как мхи и папоротники. В конце концов за этими растениями следуют еще более крупные растения. Такая смена одних биоценозов другими на определенном участке земной поверхности за некоторый период времени называется сукцессией (от лат. succesio – преемственность, наследование, последовательность, смена). Термин «сукцессия» предложен Т.Каулсоном в 1898г. Завершающее сообщество – устойчивое, самовозобновляющееся и находящееся в равновесии со средой – называется климаксным. Климакс (от греч. кlimax – лестница) – стабильное, конечное состояние развитие экосистемы в условиях данной среды. Термин «климакс» введен Ф.Клементсом в 1916 году. Тип сукцессии, начинающейся с заселения обнаженной горной породы или другой поверхности лишенной почвы, ледника (например, песчаных дюн или бывшего ложа ледника), называется первичной сукцессией. В отличие от нее вторичной называют сукцессию, начинающуюся там, где поверхность полностью или в значительной степени лишена растительности, но прежде находилась под влиянием живых организмов и содержит органическое вещества. Таковы, например, лесные вырубки, выгоревшие участки или заброшенные сельскохозяйственные угодья. Как при первичной, так и при вторичной сукцессиях, флора и фауна окружающих территорий являются главными факторам, определяющим типы растений и животных, включающихся в сукцессию в результате случайного расселения и миграцией. По представлениям Клементса, в данных климатических условиях может существовать только одно климаксное сообщество, которое называется климаксом.
К типичным наземным климаксным сообществам относятся листопадные леса. Большая часть первичной продукции производится в древесном пологе, наиболее интенсивное размножение идет на уровне земли.
Выводы:
Таким образом, экосистема это любое сообщество живых существ вместе с его физической средой обитание, функционирующее как единое целое. В экосистемах происходит постоянный обмен энергией и веществом между живой и неживой природой. Экосистема может обеспечить круговорот вещества только в том случае, если включает необходимые для этого четыре составные части: запасы биогенных элементов, продуценты, консументы и редуценты. Вещество и энергия передаются в экосистеме по цепям питания. На каждом звене пищевой цепи задерживается только 10% поступившей энергии. Траты энергии в пищевых цепях отражается в пирамиде биологической продукции.
Контрольные вопросы
1. Что понимается под экосистемой? Перечислите компоненты экосистемы.
2. Какие трофические системы являются проводниками энергетических потоков в экосистемах.
3. Какое экологическое значение имеют продуцирование и размножение в природе?
4. Что такое продуктивность экосистемы и уровни продуцирования?
5. Что такое биомасса экосистемы и каковы экологические последствия ее нестабильности?
6. Что такое сукцессия и причины ее возникновения? В чем сущность первичной и вторичной сукцессии?
7. Что понимается под сукцессионной серией и как возникает климаксное сообщество?
8. Каковы последствия антропогенной эвтрофикации водоемов?
Методические рекомендации к лекции
Центральное место в теме занимают вопросы о надорганизменных системах, поэтому усвоению знаний этих систем уделяется главное внимание. В процессе изучения темы студенты должны хорошо знать определение и характеристику экосистем, круговорот веществ и поток энергии в экосистеме, как основы ее существования, пищевые связи, лежащие в основе потока вещества и энергии от одного вида к другому. Ознакомление с круговоротом веществ дает возможность определить составные компоненты, общие для любой экосистемы, ее структуру. Преподаватель предлагает назвать виды растений, животных, грибов, обитающих в лесу, и определить роль каждого царства в экосистеме. Анализ роли растений, грибов бактерий и животных в экосистеме позволяет студентам сделать вывод, что для существования экосистемы необходим круговорот веществ, который происходит при наличии растений, производителей органического вещества, животных, потребителей органического вещества, и организмов – разрушителей органического вещества. От круговорота веществ логичен переход к рассмотрению пищевых связей, которые отображают реальный путь круговорота веществ, конкретизируют это понятие. Преподаватель просит студентов рассмотреть таблицу с изображением экосистемы, составить пищевую цепь любой хорошо им известной экосистемы.
Для закрепления знаний экологической закономерности студенты получают задание: рассмотреть на таблице экосистему любого водоема, составить пищевую цепь (студенты получают разные варианты), выявить направление потока вещества и энергии в ней, определить примерное соотношение биомассы между звеньями, объяснить, почему цепи короткие. Систематизации знаний способствует сравнение различных экосистем, определение роли экологических факторов в изменении экосистем, в их смене. Важно добиваться понимания целостности и устойчивости экосистем, выявления причин этих свойств.
Лекция № 8 - Учение о биосфере
Цель лекции: дать студентам понятие о биосфере, как тесно взаимосвязанной единой экологической системе земного шара, характеризующейся целостностью и относительной устойчивостью; выявление факторов, определяющих границы биосферы; знание о живом веществе; об эволюции биосферы по пути ноосферы.
План лекции:
1. Биосфера как глобальная экосистема. Закон Эшби.
2. Биосфера и ее границы.
3. Живое вещество. Геохимическая функция живого вещества. Закон константности.
4. Ноосфера.
5. Круговорот и биохимические циклы веществ.
Основные понятия по теме: биосфера, живое вещество, границы биосферы, закон константности В.И.Вернадского, функции живого вещества, ноосфера, гипотеза Геи, геологический (большой) круговорот, биологический (малый) круговорот, биогеохимические циклы, биогенная миграция вещества.
В начале XIX в. понятие «биосфера» было введено в науку великим французским естествоиспытателем Ж.Б.Ламарком (1744-1829). Термин «биосфера» для обозначения земной оболочки, занятой жизнью, был утвержден в научном обиходе знаменитым австрийским геологом Э.Зюссом, однако он не дал ему научного определения. Автор современного учения о биосфере В.И.Вернадский стал употреблять термин «биосфера» с 1911 г. и подчеркивал, что биосфера – это «особая охваченная жизнью оболочка» земли – область распространения живого вещества на планете.
В.И.Вернадский биосферой назвал ту область нашей планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно подвергается или подвергалась воздействию живых организмов (верхняя часть литосферы, гидросферы и тропосфера). Биосфера включает в себя:
- живое вещество, т.е совокупность всех живых организмов (растении, живое микроорганизмы, человек)
- биогенное вещество, т.е органическо-минеральные или органические продукты, созданные живым веществом (торф, каменный уголь, нефть);
- биокосное вещество, созданное живыми организмами вместе с неживой (косной) природой (водой, атмосферой, горными породами – почвенный покров).
Все компоненты биосферы тесно взаимодействуют между собой, составляя целостную, сложно организованную систему, развивающуюся по своим внутренним законам и под действием внешних сил, в том числе космических (солнечного излучения, гравитационных и магнитных полей Солнца, Луны и других небесных тел).
Ведущим фактором, преобразующим лик Земли, является жизнь. Ее особенность заключается не только в ускорении химических реакций – некоторые реакции вне организме вообще не происходит при нормальных температурах и давлениях Л.С.Берг говорил: «Организмы осуществляют с физической точки зрения невероятное так, жиры и углеводы окисляются в организме при температуре около 37ºС, а вне организма – при температурах 400-500ºС. Синтез аммиака из молекулярного азота в промышленных условия осуществляется при температуре 500ºС и давлении 300-500 атмосферы. А микроорганизмы с легкостью проводят эту реакцию при обычной температуре и атмосферном давлении. Биосфера Земли представляет собой глобальную открытую систему со своими «входом» и «выходом». Ее «вход» – это поток солнечной энергии, поступающей из космоса, «выход» – те образованные в процессе жизнедеятельности организмов вещества, которые в силу каких-либо причин ускользнули из биотического круговорота. Образно говоря, это выход в «геологию». На языке современной науки биосферу называют саморегулируемой кибернетической системой, обладающей свойствами гомеостаза. Согласно закону необходимого разнообразия Эшби, кибернетическая система только тогда обладает устойчивостью для стабилизации внешних и внутренних факторов, когда она имеет достаточное внутреннее разнообразие.
Земля как планета характеризуется значительным разнообразием природных условий. Это определяется ее шарообразной формой, ее движением вокруг Солнца и вокруг собственной оси, значительное разнообразие природных условий создается сложным рельефом Земли. Но основное разнообразие биосферы Земли создается живыми организмами. Считают, что в современной биосфере представлено около 2 млн. видов живых организмов. За время существования биосферы их характерной особенностью биосферы как динамической системы является ее неравномерность – следствие работы живого вещества и притока солнечной энергии.
Не менее важной отличительной особенностью биосферы является ее «обводненность». Вернадскому очень нравилось определение жизни как «одушевленной воды», данное французским биологом Р.Дюбуа.
Еще одна характерная особенность биосферы – это ее неразрывная связь с космосом (в наибольшей степени – с Солнцем).
В 1926г. В.И.Вернадский впервые поставил вопрос о границах биосферы. Однако вопрос, как тогда, так и сейчас не имеет однозначного ответа.
Какие же физико-химические условия наиболее благоприятны для существования жизни?
- Достаточное количество углекислого газа и кислорода
- Достаточное количество воды (причем обязательно – в жидком состоянии).
- Температурный режим, исключающий как слишком высокие температуры (вызывающие свертывание белков), так и слишком низкие (прекращающие работу ферментов).
- Наличие «прожиточного минимума» элементов минерального питания – определенная соленость водной среды.
Современная жизнь распространена в верхней части земной коры (литосфера), нижних слоях атмосферы Земли (тропосфера) и в водной оболочке Земли (гидросфере).
В литосфере жизнь ограничивает прежде всего горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1,5-15 км превышает +100ºС. Самая большая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены бактерии, составляет 4 км. В океане жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин в 10-11 км от поверхности. Верхняя граница жизни в атмосфере определяется нарастанием с высотой ультрафиолетовой радиации. Озоновый слой поглощает большую часть ультрафиолетового излучение Солнца на высоте 22-25 км. Все живое, поднимающиеся выше защитного слоя озона, погибает. Места наибольшей концентрации организмов в биосфере называют «пленками жизни», таковыми является литорали (от лат. litovalis – прибрежный), лиманы (от греч. limenas – гавань, бухта) и эстуарии (от лат. destuarium – берег, заливаемый приливом) и почва.
Всю совокупность организмов на планете В.И.Вернадский назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию. Закон константности, сформулированный В.И.Вернадским, гласит: количество живого вещества биосферы (для данного геологического периода) есть величина постоянная константа. Общий вес живого вещества оценивается величиной 1,8-2,5·10¹²т (в сухом весе) и составляется лишь незначительную часть массы биосферы (3·10¹т). Если живое вещество равномерно распределить по поверхности нашей планеты, то оно покроет ее слоем толщиной только в 2 см. С точки зрения современной науки, живое вещество обладает некоторыми специфическими свойствами и выполняет в биосфере определенные биогеохимические функции.
Специфические свойства и особенности живого вещества:
- живое вещество биосферы характеризуется большим запасом энергии.
- резкое различие между живым и неживым веществом наблюдается в скорости протекания химических реакций. В живом веществе реакции идут в тысячи, а иногда в миллионы раз быстрее;
- отличительной особенностью живого вещества является то, что слагающие его индивидуальные химические соединения – белки, ферменты и др. – устойчивы только в живых организмах;
- произвольное движение, в значительной степени, саморегулируемое, является общим признаком всякого живого вещества в биосфере;
- живое вещество обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. Известно, свыше 2 млн. органических соединений, входящих в состав живого вещества, в то время, как количество природных соединений (минералов) неживого вещества составляет около 2 тыс., т.е. на три порядка меньше;
-Живое вещество представлено в биосфере в виде индивидуальных организмов, размеры которых колеблются в огромных пределах. Величина самых мелких вирусов не превышает 20 нм (1 нм=10-9), самое крупное животное – кит – достигает 33 м в длину, самое высокое растение – секвойя – 100 м в высоту.
Основные биогеохимические функции живого вещества:
- энергетическая функция заключается в осуществлении связи биосферно – планетарных явлений с космическим излучением. В основе этой функции лежит фотосинтетическая деятельность зеленых растений, в процессе которой происходит аккумуляции Солнечной энергии. За счет накопленной солнечной энергии протекают все жизненные явления на Земле;
- газовая функция обусловливает миграцию газов и их превращения, обеспечивает газовый состав биосферы. Преобладающая масса газов на Земле имеет биогенное происхождение. В процессе функционирование живого вещества создаются основные газы: азот, кислород, углекислый газ, сероводород, метан и др.:
- концентрационная функция проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов окружающей среды концентрация важнейших элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде. Этим объясняется неоднородность химического состава биосферы и ее существенное отличие от состава неживого вещества планеты;
- окислительно–восстановительная функция заключается в химическом превращении атомы с переменной степенью окисления (соединений железа, марганца и др.);
- деструктивная функция обусловливает процессы, связанные с разложением организмов после их смерти, вследствие которой происходит минерализация органического вещества, т.е превращение живого вещества в косное. В результате образуют также биогенное и биокосное вещество биосферы;
- средообразующая функция заключается в преобразовании физико-химических параметров среды в результате процессов жизнедеятельности;
- транспортная функция – это осуществление переноса вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении. Живое вещество – единственный (помимо поверхностного натяжения) фактор, обусловливающий обратное перемещение вещества снизу вверх, из океана – на континенты, реализующий тем самым «восходящую» ветвь биогеохимических циклов;
Эволюция биосферы шла по пути усложнения структуры биологических сообществ, умножая число видов и совершенствуя приспособленности. Эволюционный процесс сопровождался увеличением эффективности преобразования энергии и вещества биологическими и химическими системами. Вершиной эволюции живого на Земле явился человек, который как биологический вид на основе многочисленных эволюционных изменений приобрел не только сознание, но и способность изготавливать и использовать в своей жизни орудия труда. Применяя орудия труда, человечество стало создавать фактически искусственную среду своего обитания (поселения, жилища, одежду, продукты питания, машины и многое другое). С этих пор эволюция биосферы вступила в новую фазу, где человеческий фактор стал мощной природной движущей силой.
Такой этап развития биосферы, при котором «проявляется как мощная, все растущая геологическая сила, роль человеческого разума и направленного им человеческого труда» называется ноосферой. Под ноосферой понимают ту стадию эволюции природы, когда появился человеческий разум. Так как среда жизни – биосфера – есть организованная оболочка планеты, то вхождение в нее в ходе ее геологически длительного существования, нового фактора ее изменения – научной работы человечества есть природный процесс перехода биосферы в новую фазу, в новое состояние – в ноосферу. Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, на Земле постоянно должен происходить круговорот биологически важных веществ, т.е после использования они должны вновь переходить в усвояемую для других организмов форму.
Этот переход биологически важных веществ может осуществляться только при определенных затратах энергии источником, которой является Солнце. Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ – геологический, или большой круговорот, и биологический, малый круговорот. Геологический круговорот можно объяснить на примере круговорота воды по Г.В.Войткевичу и В.А.Вронскому. С появлением живого вещества на основе геологического круговорота возник круговорот органического вещества, биологический (малый) круговорот. В отличие от простого переноса минеральных веществ в большом круговороте, как в виде растворов, так и в виде механических осадков, в малом круговороте самыми важными моментами являются синтез и разрушения органических веществ. В противоположность геологическому, биологический круговорот обладает ничтожной энергией. На создания органического вещества, как известно, затрачивается всего 0,1-0,2% всей поступающей на Землю солнечной энергии, а на геологический круговорот – до 50 %. Несмотря на это, энергия, вовлеченная в биологический круговорот, производит огромную работу по созданию первичной продукции.
С появлением на Земле живой материи химические элементы непрерывно циркулируют в биосфере, переходя из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. Такая циркуляция веществ по более или менее замкнутым путям называется биогеохимическим циклом. Основными биогеохимическими циклами являются круговороты кислорода, углерода, воды, азота, фосфора, серы и других биогенных элементов. Биогенная миграция вещества одна из форм всеобщей миграции элементов в природе. Под биогенной геохимической миграцией следует понимать миграцию органического и косного вещества, участвующего в росте и развитии живых организмов и производимого последними в результате сложных биохимических и биогеохимических процессов. Миграция химических элементов в биосфере осуществляется или при непосредственном участии живого вещества или же протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом. Человек воздействует прежде всего на биосферу и ее живое населения, поэтому он тем самым изменяет условия биогенной миграции атомов, создавая предпосылки для глубоких химических перемен. Таким образом, процесс может стать саморазвивающимся, не зависящим от желания человека, и при глобальном масштабе практически неуправляемыми.
Выводы
Таким образом, биосфера является глобальной единой системой Земли, где весь основной ход геохимических и энергетических превращений определятся жизнью. Деятельность живых существ является главным фактором преобразования земной коры. Значение организмов обусловлено их большим разнообразием, повсеместным распространением, избирательным характером биохимической деятельности и исключительно высокой химической активностью по сравнению с другими компонентами природы, границами биосферы являются верхняя часть литосферы, нижние слои атмосферы и гидросфера. Живым веществам характерны основные биогеохимические функции такие, как: энергетическая, газовая, концентрационная, окислительно – восстановительная, деструктивная, средообразующая, транспортная. Живые организмы играют важную роль в круговороте веществ. Они представляют собой звенья биогеохимических круговоротов (циклов), с помощью которых осуществляется обмен веществ между различными компонентами биосферы.
Контрольные вопросы
1.Что такое биосфера и чем она отличается от других оболочек Земли?
2. Назовите основные оболочки Земли?
3. Что понимал В.И.Вернадский под живым веществом и какие биохимические принципы лежат на основе биогенной миграции?
4. Как и какие важнейшие функции живого вещества обеспечиваются посредством малого круговорота веществ в природе?
5. Назовите основные структурные единицы биосферы.
6. Из каких частей состоит биогеохимический круговорот веществ?
7. Что такое «ноосфера» и почему возникло это понятие?
8. Возможно ли возникновение ноосферы в развитии коэволюции между человеческим обществом и природной средой?