Основы экологии

Глава 2

Основы  учения о биосфере

2.1 Краткая характеристика  основных сфер  Земли 

      Земля относится к планетам Солнечной  системы. Она удалена от Солнца в  среднем на 149,6 млн. км и обращается вокруг него за период, равный 365,25 средних  солнечных суток. Земля имеет форму геоида, т.е. фигуры, ограниченной поверхностью океана, мысленно проложенной через материки таким образом, что она всюду остаётся перпендикулярной направлению силы тяжести. Площадь поверхности Земли, принимаемой за шар, составляет 570 млн. км², объём - 1,083 • 10¹² км³, масса - 5976 • 10²¹ кг, средняя плотность - 5518 кг/м³. Химический состав Земли почти не изучен. Исследована лишь верхняя часть земной коры, т.е. примерно 5% её объёма. По современным представлениям [16] поверхностная часть земной коры состоит наполовину из кислорода и на четверть из кремния. Вся же её толщина на 99,79% состоит из 9 элементов:  кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, натрия, магния, калия и водорода, и лишь 0,21% приходится на долю остальных 105 известных элементов. В строении Земли намечается чёткая закономерность. Земля состоит из центрального тяжёлого ядра и ряда оболочек, или геосфер (Гея - древнегреческая богиня Земли), различных по составу и распределению плотности вещества.

      Атмосфера - воздушная, самая лёгкая оболочка земного шара - состоит из механической смеси газов (%): азота - 78,09; кислорода - 20,95; аргона - 0,93; углекислого газа - от 0,02 до 0,032, а также гелия, неона, криптона, водорода, озона и других, на долю которых приходится около 0,01% всего её объёма. Около 4% объёма атмосферы занимают пары воды и пыль.

      В нижней части атмосферы до высоты 60 км над земной поверхностью содержится переменное количество озона (трёхатомный кислород О_з). Наибольшая его концентрация отмечается на высоте 22 - 26 км.

      Гидросфера - водная оболочка - представлена Мировым  океаном, который занимает 71% поверхности планеты, что составляет 361 млн км². Кроме этого вода содержится в пресноводных водоёмах, подземных бассейнах, ледниках, снежном покрове, почве, растениях, животных, горных породах. Общий объём воды на нашей планете составляет около 1800 млн. км³. Во всех океанах и морях отмечается постоянное соотношение солей, входящих в состав воды. Общая масса солей в морской воде составляет 48 • 10¹⁵, или около 3,5% всей массы океанской воды. Этого количества солей хватило бы для образования на всей поверхности нашей планеты соляного слоя толщиной до 45 м. Вода отличается большой теплоёмкостью. Она поглощает примерно на 25 - 50% тепла больше, чем на тех же широтах - поверхность суши. В водах Мирового океана накопилось тепла в 1000 - 1500 раз больше того количества, которое поступает на его поверхность в течение года. Тепло водной оболочки расходуется главным образом на испарение, нагревание воздуха и воды при перемешивании тёплой с холодной, на таяние льдов, поддержание жизнедеятельности водных организмов (гидробионтов).

      Литосфера - твёрдая оболочка Земли, или земная кора, сложенная осадочными и кристаллическими породами, - образует сплошную оболочку, 2/3 которой перекрыто водами морей и океанов. Наибольшая мощность земной коры 40 - 100 км, под океанами её толщина резко снижается. У нижней границы земная кора приобретает пластичный характер из-за большого давления и высоких температур.

      Ниже  расположено подкорковое вещество, которое по физическим свойствам одинаково как под океаном, так и под материком. Эта однородная оболочка называется мантией. На глубине 2900 км в центре Земли расположено ядро, которое предположительно состоит из вещества в жидком состоянии.

      Особое место в составе сфер Земли занимает почва. Это особое природное образование, обладающее рядом свойств, присущих живой и неживой природе. Оно является продуктом взаимодействия всех природных факторов: климата, горной породы, растительного и животного мира, рельефа, геологического возраста территории, хозяйственной деятельности человека. По физическому составу почва представлена твёрдой, жидкой и газообразной фазами. В состав твёрдой части входят органическое и органоминеральное вещество, состоящее из соединений растительного, животного и микробного происхождения, а также продукты взаимодействия живых организмов с горной породой. Органическое вещество на 80 - 90% состоит из гумуса, в котором содержатся основные элементы питания растений.

      Жидкая  фаза - почвенный раствор, который является активным компонентом, осуществляющим перенос веществ внутри неё, вынос из почвы и снабжение растений водой и растворёнными элементами питания.

      Газообразная  фаза - почвенный воздух - заполняет поры, не занятые водой. Количество и состав почвенного воздуха не постоянны и определяются множеством протекающих в почве процессов. Основные составляющие почвенного воздуха - азот, кислород, углекислый газ, летучие органические соединения.

     Важная, если не определяющая роль в образовании почвы принадлежит микроорганизмам, для которых почва является естественной средой обитания. По общей массе почвенные микроорганизмы составляют большую часть микроорганизмов нашей планеты: в 1 г чернозёма их содержится до 10 млрд., или 10 т/га. Обработка почвы, внесение удобрений, ядохимикатов существенным образом влияет на почвенные организмы, способствуя их уменьшению или увеличению. Почвенные организмы, разлагая различные, в т.ч. и вредные органические вещества, выполняют важную роль в очистке окружающей среды от загрязнений. В почве встречаются также некоторые болезнетворные микробы, которые попадают в почву с трупами из желудочно-кишечного тракта животных и человека, с поливной водой, отходами различных производств. Они, как правило, быстро погибают. Однако некоторые сохраняются длительное время, например, сибиреязвенные бациллы, возбудители столбняка и др. Для всех почв характерно уменьшение органических веществ и живых организмов вниз по профилю. В общем виде почвенный профиль представлен следующими горизонтами. За самым верхним темноокрашенным плодородным горизонтом А идет переходный горизонт В - более плотный, бурой или коричневой окраски, обогащённый коллоидно-дисперсными минералами. Нижележащий горизонт С - изменённая почвообразующими процессами материнская порода. Горизонт Д - исходная горная порода. 

      2.2 Строение и структура  биосферы

       Понятие «биосфера» (греч. bios - жизнь, sphaira - шар) введено в биологию Ж. Ламарком, а в геологию - Э. Хюссом в 1875 г. Основоположник учения о биосфере В.И. Вернадский рассматривал её как активную оболочку Земли, область распространения жизни, в которой совокупная деятельность организмов, в т.ч. человека, проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и значения. В биосферу входит часть атмосферы до высоты 15-20 км; гидросфера, в которой жизнь наблюдается до глубины Мирового океана (более 11 км),  и верхняя часть литосферы на глубину 100 - 200 м и более. Некоторые учёные считают, что жизнь в литосфере распространяется более чем на 3000 м: так, на глубине 4500 м в нефтеносных водах найдены микроорганизмы. К биосфере относится человек. Таким образом, нижняя граница биосферы находится на глубине 2 - 3 км на суше, 1 - 2 км ниже дна океана. Верхней границей служит защитный озоновый экран, выше которого ультрафиолетовые лучи исключают существование жизни. Биосфера представляет собой грандиозную равновесную систему с непрерывным круговоротом веществ и энергии, в котором активную роль играют организмы.

      В биосфере существуют различные природные  комплексы из живых организмов и среды их обитания. Спектр уровней организации в биосфере можно представить следующим образом. Элементарной единицей биосферы является вид. Он представляет собой совокупность особей, обладающих наследственным сходством морфологических, физиологических и биохимических особенностей, свободно скрещивающихся и дающих плодовитое потомство. В процессе эволюции у каждого вида сформировались приспособления к определённой среде обитания.

      Популяция (от лат. populus - народ) - совокупность видов особей, которая длительно существует и занимает определенную часть территории. Популяция - это уже надорганизменная единица, она так же, как и отдельные особи, обладает определенными признаками, которые характеризуют популяцию как целое. Основными характеристиками популяции являются: плотность, т.е. число особей на единице площади или объема; численность - общее число особей на занимаемой территории; рождаемость - она может быть высокая и низкая. Обычно низкая рождаемость характерна для тех видов, которые проявляют большую заботу о потомстве, и наоборот. Кроме этих характеристик выделяют смертность и возрастной состав. Возрастной состав популяции имеет большое значение для ее существования. При благоприятных условиях в популяции наличествуют все возрастные группы и поддерживается в среднем стабильный возрастной состав. Например, в популяции российского народа в последнее время произошли неблагоприятные изменения: увеличилась, детская смертность, сократилась продолжительность жизни, возросла рождаемость неполноценного потомства. Изменилась соотношение между основными возрастными группами населения.

      Совокупность  популяций разных видов называется сообществом, или биоценозом (от греч. bios - жизнь, kainos - вместе). Сообщество включает все популяции разных видов, характеризующихся определенными отношениями как между собой, так и с неорганической средой на определенной территории. Каждый биоценоз имеет соответствующую структуру, видовой состав и территорию. Ему присущи определенная организация пищевых связей и определенный тип обмена веществ. Например, сообщество живых организмов хвойного леса, степи, пруда и т.д. Биоценозы - динамичные природные системы, которым свойственны разного рода изменения - в течение суток, по сезонам года и на протяжении ряда лет. С другой стороны, биоценозам свойственна определенная устойчивость, равновесие. Например, если вырубить хвойный лес под пашню, а через некоторое время это поле забросить, не обрабатывать, то начнет происходить процесс восстановления лесного сообщества. После вырубки сначала появляется редкая, а затем сплошная поросль древесных мелколиственных пород (осины, березы и др.). Под их пологом появляются маленькие елочки, которые на открытых местах погибли бы от морозов. Через 30-40 лет они обгоняют в росте лиственные породы, вытесняют их и снова становятся господствующими породами. Через 60-70 лет на месте бывшей вырубки восстанавливается типичный хвойный лес с характерным для него животным миром. Подобные процессы, представляющие определенную последовательность появления и исчезновения популяций разных видов в данном местообитании, называются экологической сукцессией (буквально - последовательность). Таким образом, сукцессия состоит из ряда последовательно сменяющих друг друга стадий с преобладанием в каждой из них тех или иных видов и популяций. Отдельные стадии развития сукцессии называют сериальными (стадия мелколиственного леса, стадия смешанного леса и т.д.), а состояние окончательного равновесия - климаксом (стадия хвойного леса). Сукцессия, которая начинается на лишенном жизни месте (например, на вновь образовавшейся песчаной дюне),  называется первичной, а на месте уже существовавшего, ранее сформированного сообщества - вторичной. Поразительную способность к распространению жизни, ее устойчивость В.И. Вернадский назвал «всюдностью жизни».

      Важными характеристиками биоценоза являются биомасса и продуктивность. Биомасса - количество живого вещества всех групп растительных и животных организмов. Продуктивность - скорость наращивания или продуцирования биомассы. Самая высокая эффективность продуцирования - у микроорганизмов, самая низкая - у позвоночных животных, которые тратят большое количество энергии на поддержание постоянной температуры своего тела.

      Экосистема  (или биогеоценоз) - исторически сложившаяся совокупность биоценоза и абиотической среды. Обычно граница биогеоценоза устанавливается по границе растительного сообщества - тундра моховая, тундра лишайниковая, лес хвойный и т.д. Экосистемы способны путем саморегуляции противостоять  изменениям как в среде, так и в численности организмов. Все природные биогеоценозы связаны между собой и вместе образуют живую оболочку Земли, которую можно рассматривать как самую большую экосистему, или биосферу. Все компоненты биосферы тесно взаимодействуют между собой, составляя целостную сложноорганизованную 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).

      Таким образом, фундаментальной единицей биосферы является экосистема, так как в нее входят и организмы, и неживая среда - компоненты, взаимно влияющие на свойства друг друга и необходимые для жизни в той ее форме, которая существует на Земле. Основные компоненты, которые обеспечивают функционирование экосистемы как единого целого, - это сообщества, поток энергии и круговорот веществ.

      Состав  экосистемы представлен четырьмя элементами:

       1. неживая (абиотическая) среда - вода, минеральные вещества, газы, неживые органические вещества и гумус;

       2. продуценты (производители) - живые существа, способные из неорганических материалов среды строить органические вещества. Это главным образом растения – автотрофы, - производящие в процессе фотосинтеза с помощью солнечной энергии из углекислого газа, воды и минеральных веществ органические соединения. При этом высвобождается кислород. Органические вещества, производимые растениями, идут в пищу животным и человеку, кислород используется для дыхания;

      3. консументы - потребители. Организмы, питающиеся только растениями, называют консументами первого порядка. Животных, питающихся только (преимущественно) мясом, называют консументами второго порядка;

      4. редуценты (деструкторы, разлагатели) - группы организмов, которые разлагают остатки отмерших существ, превращая их  в исходное сырье (воду, минеральные вещества, углекислый газ), которое снова используют продуценты для образования органических веществ. Редуценты - это черви, личинки насекомых и другие мелкие почвенные организмы. Бактерии, грибы и другие микроорганизмы, превращающие органическое вещество в минеральное, называют минерализаторами.