Биосфера

 В.И. Вернадский в обобщенном виде писал о биосфере, что это среда нашей жизни, это та «природа», которая нас окружает. Следовательно, окружающая нас природная среда и биосфера понятия тождественные. То, что косные вещества биосферы (горы, реки, океан, воздушные массы) возникли на земли до появления жизни, не противоречит положение о единстве системы. По мере развития живого вещества они оказались вовлеченными в биогенную миграцию веществ, которая стала определяющей в изменениях биосферы. Так с появлением более высокой формы движения материи – живого вещества, низшие формы структурно включались в нее и оказались функционально ей подчиненными.

В самом деле живое вещество за сравнительно короткое время существования  коренным образом обновило состав атмосферы, природных вод, осадочных пород. Кислород атмосферы, почвенный покров, залежи угля, нефти, известняки и многое другое – прямой результат деятельности живых организмов. Не меньше и косвенные  результаты деятельности живого вещества: озоновый экран, возникновение огромного  количества органических соединений. Живой покров Земли в большей  мере влияет на климат различных участков планеты, циркуляцию воды, воздушных  масс, разрушения горных пород.

Биосфера взаимосвязана и взаимодействует  со всем планетным окружением –  как внешним космическим, так  и внутренним, уходящим от биосферы в глубину Земли. Живое вещество биосферы в общем занимает ничтожное  пространство в масштабе всего земного  шара. Широкое распространение самого термина -  «живое вещество» - связано  главным образом с работами В.И. Вернадского. Он ясно показал, что все  количество живых организмов на Земле  образует единое целое – живое  вещество планеты.

Жизнь на Земле -  самый выдающийся процесс на ее поверхности, получающий живительную энергию Солнца и вводящий в движение едва ли не все химические элементы таблицы Д.И. Менделеева. Биосфера есть часть живого пространства, охваченного жизнью с ее активным химическим проявлением. В биосфере возможно существование организмов в любых возможных концентрациях – от единичных бактерий и спор на сантиметр в кубе атмосферного воздуха, до мощных тропических лесов экваториального  климата и следов жизни в пучинах мирового океана. По своим требованиям к условиям внешней среды организмы расселяются в разных горизонтах Земли: в нижней атмосфере, гидросфере, в почвах в глубинах литосферы, пропитанных природными водами и нефтяными месторождениями.

Все живое вещество по своей массе  занимает ничтожную долю по сравнению  с любой из верхних оболочек земного  шара. По современным вероятным оценкам, выполненным учеными, общее количество массы живого вещества в современную эпоху равно 2420 миллиардов тонн. Эту величину можно сравнить с массой оболочек Земли, в той или иной степени охваченных биосферой – так соотношение живого вещества и земной коры равно 1/1670000.

Однако в качественном отношении  живое вещество представляет собой  наиболее высокоорганизованную часть  материи Земли.

Оценка среднего химического состава  живого вещества была произведена П.П. Виноградовым. Эта оценка свидетельствует  о том, что главные составные  части живого вещества – это элементы, широко распространенные в атмосфере, гидросфере и космосе. Средний элементный состав живого вещества отличается от состава земной коры высоким содержанием  углерода. В общем, по содержанию других элементов организмы не повторяют  состава среды своего обитания. Они  избирательно поглощают элементы, необходимые  для построения тканей. В процессе жизнедеятельности организм использует наиболее доступные атомы, способные  к образованию устойчивых химических связей. Атомы углерода имеют способность  создавать длинные цепи соединений с другими атомами, что приводит к построению бесчисленных полимеров и других сложных органических высокомолекулярных систем.

Экологические системы.

Понятие об экологических системах – одно из основных учений о биосфере. Экосистема обычно представляет собой  сложное единство взаимодействующих  между собой растений и животных, существующих в определенных условиях внешней среды. Биосферу Земли можно  рассматривать, как совокупность всех экосистем, между которыми происходят различные взаимодействия.

Итак, под термином «экосистема» подразумевается, во-первых наземные экосистемы, в виде природных ландшафтов и их частей, во-вторых водные экосистемы рек, озер и т.д.

Понятие экосистема включает и более  крупные подразделения: географические пояса, зоны.

Наконец, биосферу Земли можно рассматривать, как совокупность всех экосистем, между  которыми происходят различные взаимодействия.

Отечественные ученые, изучая современную  биосферу, сопоставили взаимосвязь  радиационного и водного балансов природных ландшафтов в географических поясах всего земного шара. Масса  растительности в различных географических поясах и прирост растительной продукции за год зависят от количества солнечного тепла и атмосферной влаги.

Для атмосферных поясов, имеющих  различные показатели радиационного  баланса, характерны разные типы экосистем: гумидные – с избыточными атмосферными осадками, семиаридные – с ограниченными  осадками, аридные – со значительным недостатком осадков. Эти экосистемы имеют различные запасы растительной массы.

Процессы превращения первичной  продукции (растительной) во вторичную (животную) и их распад – это основа биологического круговорота жизни  на Земле. Основными нормами обмена веществами и энергией в экосистеме между ее компонентами и окружающей средой являются: фотосинтез, дыхание  разнообразных живых организмов и разнообразные пищевые связи.

Главные компоненты экосистем, обеспечивающие биологический круговорот:

1. Продуценты – это в основном растения. Они запасают солнечную энергию в виде первичной биологической продукции, образовавшейся в процессе фотосинтеза;
2. Консументы – это в основном животные. Они потребляют первичную продукцию и накопленную энергию;
3. Редуценты – это в основном грибы и микроорганизмы. Они обеспечивают разрушение первичной и вторичной биологической продукции и завершают биологический круговорот веществ в экосистеме.

Состояние устойчивого  равновесия экосистемы с окружающей средой называется климаксом. Переходы от одной неустойчивой стадии к другой вплоть до климаксного состояния, называют сукцессиями. Равновесие, сбалансированность обмена веществом и энергией –  важный признак ее совершенства. Можно  назвать три признака, характеризующие  степень совершенства экосистем. Во-первых – это тип внутреннего круговорота  веществ. По нему все экосистемы делятся на три главные группы: автономные – расположенные на водоразделах, транзитные (зависимые) и аккумулятивные (подчиненные); они расположены в основном в понижениях рельефа и используют вещества, которые сюда сносятся. Во-вторых, это замкнутость оборота веществ. В-третьих, экосистема тем совершеннее, чем интенсивнее в ней скорость оборота веществ.

Биогеоценоз как основной компонент биосферы.

В отечественной  литературе в начале 40-х годов  прошлого столетия В.Н. Сукачев, изучая основные закономерности развития лесов, высказал идею о существовании в  природе сложно организованных целостных  систем, в которых биологические  сообщества неразрывно связаны с  абиотическими условиями определенной территории, называемой экотопом. Единство биоценоза, экологических условий  его функционирования и экотопом, составляет комплекс, который В.Н. Сукачев  предложил называть биогеоценозом.

В современной  экологии биогеоценоз все чаще рассматривается  как основной структурный компонент  биосферы, сохраняющий в своей  организации важнейшие ее качественные характеристики. Механизмы вещественно – энергетического обмена и саморегуляции, действующие на уровне биогеоценозов, настолько эффективны и пластичны, что позволяют поддерживать динамическое равновесие этих природных систем и воспроизводить их структурные и функциональные характеристики даже в условиях относительно интенсивного воздействия внешних факторов – физико-химических или антропогенных. По энергии приспособления к среде и всесторонней диалектической связи с ней биогеоценозов воспроизводит основные механизмы и свойства биосферы в целом.

В.Н. Сукачев  и его последователи показали, что биосфера выступает совокупностью  биогеоценозов. Они включают определенный видовой состав и соответствующие  типы связей.

Биогеоценозы  как качественно высший уровень  живой материи в отличии от других уровней обладают возможностью относительного функционирования входящих в них элементов, которые при этом не теряют своих качественных характеристик, не имеют резко очерченных границ и четко программированного развития, характеризуются подвижностью связей.

Каждый биогеоценоз  содержит все основные компоненты биологического круговорота. В зависимости от наличия  химических соединений, повышенного  состава, количества теплоты и влаги, других климатических условий, а  также конкретных соотношений организмов со средой складывается соответствующая  структура биогеоценозов. Одум выделяет следующие типы биогеоценозов: моря, морские побережья, реки и ручьи, пруды и озера, пресноводные болота, пустыни, тундры, травянистые ландшафты, леса.

Каждый из биогеоценозов имеет свою специфику  и в разной степени насыщен  жизнью. Так, лесной биогеоценоз имеет  несколько ярусов растительности: лесной полог, кустарник, травянистый ярус, подстилку и корневой ярус. Озера  и океаны имеют свои слои, обусловленные  проникновением солнечного света, температурой, наличием кислорода и другими  факторами.

В структурном  отношении любой биогеоценоз  – сложная система, состоящая  из различных компонентов, находящаяся  в разнообразных взаимоотношениях друг с другом, обладающая определенным видовым составом, наличием взаимозависимостей, а также стабильностью во времени  и пространстве.

Согласно  В.И. Вернадскому, биологическое время может быть временем индивидуального бытия, смены поколений без изменения формы жизни и эволюционным – смены форм жизни одновременно со сменой поколений. В рамках «индивидуального времени» биогеоценозы максимально устойчивы и сохраняются достаточно долго. В масштабах геологического времени под влиянием климатических и иных факторов они постоянно изменяются и переходят в качественно иные состояния. Существуют, однако, и циклические биогеоценозы, которые изменяются очень быстро – в течение нескольких дней или часов. Примером устойчивого биогеоценоза может служить хвойный лес, циклического – различные виды членистоногих, сменяющих друг друга в стволе погибшего дерева.

Каждый биогеоценоз  состоит из популяций, принадлежащих  разным видам – как к высокоспециализированным, приспособленным только к данным условиям, так и обладающих более  широкой приспособленностью. Наиболее чувствительны к существенным изменениям внешней среды высокоспециализированные виды. Поэтому высокие уровни загрязнения  окружающей среды ведут к их гибели и нарушению стабильности биогеоценоза в целом. Важно учитывать и  то, что разные биогеоценозы имеют различную степень насыщенности жизнью. Особенно велико разнообразие влажных тропических лесов, в то время как районы пустынь Крайнего Севера бедны им.  С.С. Шварц, сравнивая биогеоценозы северной тундры с биогеоценозами средней полосы и южных областей, пришел к выводу, что первые менее продуктивны не только вследствие меньших поступлений энергии, но и потому, что в эволюционном плане являются более молодыми и в них не сложилась та устойчивая пригнанность многообразных элементов, которая типична для стабильных биогеоценозов.

Теоретически  установлено, что высокая степень  видового многообразия биогеоценозов  определяет высокую степень их устойчивости, то есть существует прямая зависимость  между их сложностью и устойчивостью.

Уменьшение  разнообразия биогеоценозов под  влиянием человеческой деятельности ведет  к снижению их стабильности, а зачастую и разрушению. В частности, в процессе сельскохозяйственного производства повышения продуктивности обеспечивается за счет снижения стабильности засеваемых площадей. Поэтому в сельскохозяйственной деятельности необходима ориентация на сочетание высокой продуктивности и предельно возможной стабильности, что, по мнению С.С. Шварца достижимо  путем оптимального сочетания живых  компонентов биогеоценоза, основанного  на обогащении новыми видами, подбора  состава сообществ, увеличения их компонентов  и межвидовых связей.

Основными структурными единицами биогеоценоза являются виды, представляющие собой интегрированную  форму организации живой материи, приспособленную к своему ареалу как в целом, так и отдельным  его компонентам. В состав входят группы скрещивающихся популяций, репродуктивно изолированных друг от друга.

Основной  единицей эволюции и существования  вида является популяция – совокупность относительно обособленных особей, всегда способных устойчиво и длительное время воспроизводиться и эволюционировать в пределах освоенной территории. Обязательный признак любой популяции  – та или иная степень скрещивания и ее разделенность с помощью изолирующих механизмов от соседних популяций. Важным признаком популяции является взаимодействие особей между собой, известная обособленность территории и устойчивость существования во времени.

Важнейшей характеристикой  популяция является ее возрастная структура, обусловленная продолжительностью жизни особей, частотой смены поколений  в единицу времени, динамикой  численности, временем наступления  половой зрелости, давлением отбора и другими причинами. Соотношение  различных возрастных групп в  популяции сущностно характеризует  ее эволюционную перспективу, поскольку  с возрастными особенностями  связана способность к размножению.

В раскрытии  закономерностей популяции большое  значение имеет характеристика функционирования и динамика их генетических особенностей. С этой точки зрения популяционная  группировка представляет собой  совокупность особей вида, в пределах которой осуществляется свободное  скрещивание и обмен генами. Генетические характеристики популяции определяют ее адаптивные ресурсы и репродуктивный потенциал. Популяции складываются под влиянием условий внешней  среды на основе взаимодействия наследственности, изменчивости и естественного отбора.