Биосфера – как глобальная экосистема.

Биосферу называют «сферой жизни», живой оболочкой Земли, которая включает в себя верхнюю часть литосферы, всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы.

Термин «биосфера» был введен в 1875 г. австрийским геологом Эдуардом Зюссом. Развернутое учение о биосфере создано и разработано В.И. Вернадским, опубликовавшим в 1926 г. классический труд «Биосфера». С одной стороны он рассматривал биосферу как оболочку Земли, в которой существует жизнь. С другой стороны, В.И. Вернадский подчеркивал, что биосфера - не просто пространство, в котором обитают живые организмы, а результат деятельности живых организмов и представляет собой результат их совокупной химической активности в настоящем и в прошлом.

Всю совокупность живых организмов В.И. Вернадский обозначил тер­мином «живое вещество», противопоставляя его «косному». К «косному» веществу относятся все геологические образования, не входящие в состав живых организмов и не связанные ими. К понятию «биокосное» вещество В. И. Вернадский относил комплекс взаимодействующего живого и косного вещества (нефть, почва).

Три составные части биосферы - гидросфера, атмосфера и литосфера -тесно связаны друг с другом. Литосферу с гидросферой связывает постоян­ный вынос почвенных вод в водоемы разных типов. Поверхностные воды трансформируются в грунтовые, которые участвуют в формировании речного стока. Переносимые с водой почвенные соединения участвуют в формировании биопродуктивности водоемов.

Почва выступает как мощный фактор энергетического баланса биосфе­ры и связана с атмосферными процессами. Почвенные процессы участвуют в регулировании влагооборота атмосферы и ее газового режима. Значение почвы в биосфере можно определить как связующее звено биологического и геологического круговоротов. Функциональная взаимосвязь включает взаимодействие процессов, происходящих в геологических оболочках, например круговорот воды. Это взаимодействие также проявляется и в энергетических связях как прямых - через тепловое излучение, так и опосредованно – через процессы фотосинтеза.

Функциональная взаимосвязь составных частей биосферы обеспечива­ет устойчивый глобальный круговорот веществ. Высокая химическая активность живого вещества способствует постоянному вовлечению в круговорот химических элементов. Биологически значимые химические элементы постоянно проходят через глобальный круговорот с участием живых организмов. По некоторым подсчетам за 3 - 4 млрд лет существова­ния биосферы вся вода Мирового океана прошла через биологический цикл не менее 300 раз. а свободный кислород атмосферы - не менее 1 млн раз.

Живое вещество регулирует все процессы в биосфере. Так, продукция кислорода поддерживает озоновый экран, и как следствие, относительное постоянство потока лучистой энергии, достигающего поверхности планеты. Постоянство минерального состава океанических вод поддерживается деятельностью организмов, активно вовлекающих отдельные элементы.

Высокая способность биосферы как целостной системы к саморегуля­ции лежит в основе гипотезы «Геи», согласно которой живой мир Земли рассматривают как единый сверхорганизм (Гипотеза Джеймса Ловлока). Деятельность живых организмов в биосфере гораздо шире, чем может показаться на первый взгляд, т.к. оказывает мощное обратное влияние на биосферу, изменяя состав и свойства основных сред жизни.

Современные свойства биосферы и ее составных частей как сред жизни определены влиянием совокупной жизнедеятельности обитающих в них организмов. На протяжении геологической истории нашей планеты это влияние коренным образом изменило химические и физические свойства среды. Происхождение почвы целиком обусловлено деятельностью живых организмов. В водной среде живые организмы влияют на ее химический состав: растения выделяют кислород; животные, как фильтры, непрерывно пропускают через себя огромные количества воды, извлекая из нее взве­шенные органические вещества и соли. Современный газовый состав атмосферы определяется деятельностью живых организмов, главным образом через процессы фотосинтеза и дыхания.

Газовый состав атмосферы существенным образом определяет тепло­вой баланс Земли. Большая часть солнечной энергии достигает поверхности Земли в видимой части спектра. Земля отражает энергию в инфракрасной части спектра. Это излучение экранируется парами воды, углекислым газом и озоном, что и предохраняет поверхность Земли от чрезмерной потери тепла. Подсчитано, что без «озонового экрана» и «парникового» эффекта, температура в околоземном слое была бы на 40° ниже.

Происходящее в настоящее время антропогенное увеличение углеки­слого газа в атмосфере приводит к потеплению климата. В то же время наблюдающееся сейчас частичное разрушение озонового экрана может в известной мере скомпенсировать этот эффект за счет увеличения потерь тепла с поверхности Земли. Но одновременно с этим увеличится поток ультрафиолетового излучения, что опасно для многих живых организмов. Антропогенное «вмешательство» в структуру атмосферы чревато непред­сказуемыми и нежелательными последствиями.

Несмотря на специфичность и самостоятельность отдельных оболочек Земли как составляющих биосферы, суммарная деятельность населяющих эти оболочки живых организмов интегрируется на уровне биосферы как целостной функциональной системы. Биосфера как функциональная экосистема планетарного масштаба в значительной степени есть результат этих процессов.

Экосистемы - совокупности организмов и неживых компонентов, взаимодействующих совместно и связанных потоками вещества и энергии.

Все экосистемы можно разделить по рангам:

1) микроэкосистемы (лужа, гниющий пень, разлагающийся труп и т.п.);

2) мезоэкосистемы (лес, озеро, река, небольшой остров и т.п.);

3) макроэкосистемы (море, океан, континент, большой остров и т.п.);

4) глобальная экосистема (биосфера).

В составе любой экосистемы обычно выделяют два блока: биоценоз и экотоп. Биоценоз состоит из взаимосвязанных организмов разных видов, которые входят в него не отдельными особями, а популяциями. Частный случай биоценоза - сообщество, оно может объединять только часть видов биоценоза (например, растительное сообщество). Под экотопом понимают среду обитания данного биоценоза. Это может быть территория данного биогеоценоза, характеризующаяся определенным составом слагающих ее геологических пород. Поваленное дерево, дающее жизнь разного рода деструкторам (насекомым, грибам, микробам и прочим организмам, разрушающим органику вплоть до минерального состояния) также является экотопом существующей на его базе экосистемы.

Особенности экосистем

1. 1. Тесная взаимосвязь и взаимозависимость всех звеньев как биотических (живых), так и абиотических (неживых). Корректировки связей приводят к возвращению в исходное состояние или к гибели.
2. 2. Сильные положительные и отрицательные обратные связи.

Пример положительной обратной связи - заболачивание территории после вырубки леса. Это ведет к уплотнению почвы, следовательно, к накоплению воды и росту растений-влагонакопителей, что приводит к обеднению ее кислородом, а значит, к замедлению разложения растительных остатков, накоплению торфа и дальнейшему усилению заболачивания.

Пример отрицательной (стабилизирующей) обратной связи - взаимоотношение между хищником и жертвой, например между рысями и зайцами: рост количества зайцев способствует росту численности рысей, но чрезмерное количество рысей сокращает поголовье зайцев, после чего численность рыси также сокращается. В естественных условиях данная система достаточно быстро стабилизируется.

1. 3. Явно выраженная эмерджентность – качество, свойство системы, которые не присущи ее элементам в отдельности, а возникают благодаря объединению этих элементов в систему.

Например, редкий древостой еще не составляет леса, так как не создает определенной среды: почвенной, гидрологической, метеорологической и т.д.

Эмерджентность повышает устойчивость экосистемы и ее способность к саморегулированию. Деятельность человека приводит к нарушению прямых и обратных связей в экосистемах.

Например, умеренное загрязнение водоемов органикой приводит к интенсификации размножения микроорганизмов, что приводит к самоочищению водоема. Неумеренное загрязнение, называемое эвтрофикацией, ведет к чрезмерному размножению организмов, активно разлагающих органическое вещество, что рано или поздно приводит к обеднению данного водоема кислородом, а значит, к угнетению и гибели этих организмов, разрушению связей, изменению системы и переходу ее на новый вид связей, обычно это заболачивание.

Обычно экосистемы для повышения устойчивости нуждаются в случайных стрессовых воздействиях типа бурь, пожаров и т.п. Но хронические стрессы малой интенсивности, характерные для антропогенного воздействия на природу, не дают явных реакций, поэтому их последствия оценить очень трудно, но они могут оказаться гибельными для экосистемы.

Природные и антропогенные экосистемы

Природные экосистемы (биомы). В зависимости от природных и климатических условий можно выделить три группы и ряд типов природных экосистем (биомов).

Наземные экосистемы:
1. Тундра: арктическая и альпийская.
2. Бореальные хвойные леса.
3. Листопадный лес умеренной зоны.
4. Степь умеренной зоны.
5. Тропические злаковники и саванна.
6. Чапарраль (районы с дождливой зимой и засушливым летом).
7. Пустыня: травянистая и кустарниковая.
8. Полувечнозеленый тропический лес (районы с выраженными влажным и сухим сезонами).
9. Вечнозеленый тропический дождевой лес.

Пресноводные экосистемы:
1. Лентические (стоячие воды): озера, пруды, водохранилища и др.
2. Лотические (текучие воды): реки, ручьи, родники и др.
3. Заболоченные угодья: болота, болотистые леса, марши (приморские луга).

Морские экосистемы:
1. Открытый океан (пелагическая экосистема).
2. Воды континентального шельфа (прибрежные воды).
3. Районы апвеллинга (плодородные районы с продуктивным рыболовством).
4. Эстуарии (прибрежные бухты, проливы, устья рек, лиманы, соленые марши и др.).
5. Глубоководные рифтовые зоны.

Помимо основных типов природных экосистем (биомов) различают переходные типы - экотоны. Например, лесотундра, смешанные леса умеренной зоны, лесостепь, полупустыни и др.

Антропогенные экосистемы. Агроэкосистемы (сельскохозяйственные экосистемы. агроценозы) - искусственные экосистемы, возникающие в результате сельскохозяйственной деятельности человека (пашни, сенокосы, пастбища). Агроэкосистемы создаются человеком для получения высокой чистой продукции автотрофов (урожая). В них, так же, как в естественных сообществах, имеются продуценты (культурные растения и сорняки), консументы (насекомые, птицы, мыши и т.д.) и редуценты (грибы и бактерии). Обязательным звеном пищевых цепей в агроэкосистемах является человек.

Отличия агроценозов от естественных биоценозов:
незначительное видовое разнообразие (агроценоз состоит из небольшого числа видов, имеющих высокую численность);
короткие цепи питания;
неполный круговорот веществ (часть питательных элементов выносится с урожаем);
источником энергии является не только солнце, но и деятельность человека (мелиорация, орошение, применение удобрений);
искусственный отбор (действие естественного отбора ослаблено, отбор осуществляет человек);
отсутствие саморегуляции (регуляцию осуществляет человек) и др.

Таким образом, агроценозы являются неустойчивыми системами и способны существовать только при поддержке человека. Урбосистемы (урбанистические системы) - искусственные системы (экосистемы), возникающие в результате развития городов, и представляющие собой средоточие населения, жилых зданий, промышленных, бытовых, культурных объектов и т.д.

Абиотические компоненты экосистемы включают различные физические (солнечный свет, тень, испарение, ветер, температура, водные течения.) и химические факторы (макроэлементы -С, О, Н, N, P, S, Ca, Mg, K, Na, и микроэлементы - Fe ,Cu, Zn, Cl).

Биотические компоненты экосистемы подразделяются по способу питания на продуцентов (организмы, производящие органические соединения из неорганических (зеленые растения) -создают органические вещества в процессе фотосинтеза), консументов (организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию, питаясь живыми организмами - продуцентами или другими консументами. Консументы подразделяются на: фитофаги – 1-го порядка, питающиеся исключительно живыми растениями; хищники (плотоядные) –2-го порядка, которые питаются исключительно фитофагами, 3-го порядка, питающиеся только плотоядными животными; эврифаги, которые могут поедать как растительную, так и животную пищу, и редуцентов (организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию питаясь останками мертвых организмов). Редуценты подразделяются на: детритофаги – напрямую потребляют мертвые организмы или органические остатки. и деструкторы – разлагают мертвую органическую материю на простые неорганические соединения (процесс гниения и разложения).

Биосфера

Под биосферой понимают сферу единства живого и неживого, все пространство литосферы, гидросферы и атмосферы, где существует или когда-либо существовала жизнь, то есть где встречаются организмы или продукты их жизнедеятельности и которое обладает свойствами усложнения структуры и концентрации энергии и обладает механизмами, обеспечивающими круговорот веществ. Свойство саморегуляции (гомеостаза) биосферы - способность гасить возникающие возмущения и приходить в исходное состояние включением ряда механизмов. Механизмы, обеспечивающие круговорот веществ, гарантируют неисчерпаемость отдельных химических соединений в биосфере. При отсутствии круговорота, например, за короткое время был бы исчерпан весь углерод. Только благодаря круговоротам обеспечивается непрерывность процессов. Ограниченные количества живой материи воссоздаются, преобразуются и разлагаются. Ежегодно, благодаря жизнедеятельности растений и животных, воспроизводится около 10% биомассы.

Основные свойства биосферы

Центральное звено биосферы - все живые организмы (живое вещество), в том числе и человек, существование биосферы немыслимо без поступления энергии извне, прежде всего от Солнца.

В состав биосферы входят верхние слои литосферы, нижний слой атмосферы (тропосфера) и вся гидросфера, связанные между собой сложными круговоротами веществ и энергии.

Нижний предел жизни на Земле (3 км) ограничен высокой температурой земных недр, верхний предел (20 км) – жёстким излучением ультрафиолетовых лучей (всё, что находится ниже, защищено озоновым слоем). Тем не менее, на границах биосферы можно найти только микроорганизмы, наибольшая концентрация биомассы наблюдается у поверхности суши и океана, в местах соприкосновения оболочек. Организмы, составляющие биосферу, обладают способностью к размножению и распространению по планете.

Совокупная биомасса Земли составляет около 0,01% массы всей биосферы. 97 % из этого количества занимают растения, 3% – животные. Биомасса организмов, обитающих на суше, на 99,2% представлена зелеными растениями и 0,8% - животными и микроорганизмами. Напротив, в океане на долю растений приходится 6,3%, а на долю животных и микроорганизмов - 93,7% всей биомассы. Суммарная биомасса океана составляет всего 0,13% биомассы всех существ, обитающих на Земле.

Выделяют несколько уровней организации живой материи:

• Молекулярный. Любая живая система проявляется на уровне взаимодействия биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, полисахаридов, а также других важных органических веществ.
• Клеточный. Клетка - структурная и функциональная единица размножения и развития всех живых организмов, обитающих на Земле. Неклеточных форм жизни нет, а существование вирусов лишь подтверждает это правило, т.к. они могут проявлять свойства живых систем только в клетках.
• Организменный. Организм представляет собой целостную одноклеточную или многоклеточную живую систему, способную к самостоятельному существованию. Многоклеточный организм образован совокупностью тканей и органов, специализированных для выполнения различных функций.
• Популяционно-видовой. Под видом понимают совокупность особей, сходных по структурно-функциональной организации, имеющих одинаковый кариотип и единое происхождение и занимающих определенный ареал обитания, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство, характеризующихся сходным поведением и определенными взаимоотношениями с другими видами и факторами неживой природы.
• Совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общим местом обитания, создает популяцию как систему надорганизменного порядка. В этой системе осуществляются простейшие, элементарные эволюционные преобразования.
• Биогеоценотический. Биогеоценоз - сообщество, совокупность организмов разных видов и различной сложности организации со всеми факторами конкретной среды их обитания - компонентами атмосферы, гидросферы и литосферы.
• Биосферный. Биосфера - самый высокий уровень организации жизни на нашей планете. В ней выделяют живое вещество - совокупность всех живых организмов, неживое или косное вещество и биокосное вещество (почва).

В организмах содержатся все известные сегодня химические элементы.

Понятие о популяции

Популяция-совокупностьособей одного вида, способных к самовоспроизводству, которая длительно существует в определенной части ареала относительно обособленно от других популяций того же вида. Контакты между особями одной популяции чаще, чем между особями разных популяций. Например, уровень панлшксии (свободного скрещивания) внутри популяции выше, чем между особями разных популяций. Популяция является структурной единицей вида и единицей эволюции.

Ареал . Пространство, на котором популяция или вид в целом встречается в течении всей своей жизнедеятельности, называется ареалом - областью распространения.
Популяции, будучи групповыми объединениями, обладают рядом специфических свойств, которые нс присущи каждой отдельной особи. Количественные показатели (характеристики) популяции можно разделить на статические и динамические. Статические показатели характеризуют состояние популяции на данный момент времени. Основные из них: численность, плотность, а также показатели структуры. Динамические показатели популяции отражают процессы, протекающие в популяции за определенный промежуток времени. Основные из них: рождаемость, смертность, скорость роста популяции.

Статические показатели популяции

Численность - число особей в популяции. Численность популяции может значительно изменяться во времени. Она зависит от биотического потенциала вида и внешних условий.

Плотность - число особей или биомасса популяции, приходящаяся на единицу площади или объема.

Популяция характеризуется определенной структурной организацией - соотношением групп особей по полу, возрасту, размеру, генотипу, распределением особей по территории и т.д. В связи с этим выделяют различные структуры популяции: половую, возрастную, размерную, генетическую, пространственно-этологическую и др.

Половая структура (половой состав) - соотношение особей мужского и женского пола в популяции. Половая структура свойственна только популяциям раздельнополых организмов. Различают первичное, вторичное и третичное соотношения. Первичное соотношение - соотношение, наблюдаемое при формировании половых клеток (гамет). Обычно оно равно 1:1. Такое соотношение обусловлено генетическим механизмом определения пола. Вторичное соотношение - соотношение, наблюдаемое при рождении. Третичное соотношение - соотношение, наблюдаемое у взрослых половозрелых особей.

Возрастная структура (возрастной состав) - соотношение в популяции особей разных возрастных групп. Возрастной состав определяется рядом свойств и особенностей вида: время достижения половой зрелости, продолжительность жизни, длительность периода размножения, смертность и др.

В зависимости от способности особей к размножению различают три группы: предрепродуктивную (особи еще не способные размножаться), репродуктивную (особи способные размножаться) и пострепродуктивную (особи уже не способные размножаться).

Пространствен н о-этологи чес кая структура - характер распределения особей в пределах ареала. Она зависит от особенностей окружающей среды и этологии (особенностей поведения) вида. Различают три основных типа распределения особей в пространстве: равномерное (регулярное), неравномерное (агрегированное, групповое, мозаичное) и случайное (диффузное).

Динамические показатели популяции

Рождаемость (скорость рождаемости) - число новых особей, появившихся в популяции за единицу времени в результате размножения.
Смертность (скорость смертности) - число особей, погибших в популяции за единицу времени (от хищников, болезней, старости и других причин). Смертность - величина обратная рождаемости.

Скорость роста популяции - изменение численности популяции в единицу времени. Скорость роста популяции может быть положительной, нулевой и отрицательной. Она зависит от показателей рождаемости, смертности и миграции (вселения иммиграции и выселения - эмиграции). Увеличение (прибыль) численности происходит в результате рождаемости и иммиграции особей, а уменьшение (убыль) численности - в результате, смертности и эмиграции особей.

Регуляция численности популяции

Гомеостаз популяции - поддержание определенной численности (плотности). Изменение численности зависит от целого ряда факторов среды - абиотических, биотических и антропогенных. Однако всегда можно выделить ключевой фактор, наиболее сильно влияющий на рождаемость, смертность, миграцию особей и т.д.

Понимание механизмов регуляции численности популяций чрезвычайно важно для возможности управления этими процессами. Деятельность человека часто
сопровождается сокращением численности популяций многих видов. Причины этого в чрезмерном истреблении особей, ухудшении условий жизни вследствие загрязнения окружающей среды, беспокойства животных, особенно в период размножения, сокращение ареала и т.д. В природе нет и не может быть «хороших» и «плохих» видов, все они необходимы для ее нормального развития. В настоящее время остро стоит вопрос сохранения биологического разнообразия. Сокращение генофонда живой природы может привести к трагическим последствиям. Международный союз охраны природы и природных ресурсов (МСОП) издает «Красную книгу», где регистрирует следующие виды: исчезающие, редкие, сокращающиеся, неопределенные и «черный список» безвозвратно исчезнувших видов.

В целях сохранения видов человек использует различные способы регулирования численности популяции: правильное ведение охотничьего хозяйства и промыслов (установление сроков и угодий охоты и отлова рыбы), запрещение охоты на некоторые виды животных, регулирование вырубки леса и др.

В то же время деятельность человека создает условия для появления новых форм организмов или развития старых видов, к сожалению, часто вредных для человека: болезнетворных микроорганизмов, вредителей сельскохозяйственных культур и т.д.

Экосистема – это система, состоящая из живых существ и среды их обитания объединенных в единое функциональное целое.

Основные свойства:

1) способность осуществлять круговорот веществ

2) противостоять внешним воздействиям

3) производить биологическую продукцию

Виды экосистем:

1) микроэкосистемы (ствол дерева в стадии размножения, аквариум, небольшой водоем, капля воды и т. д.)

2) мезоэкосистема (лес, пруд, степь, река)

3) макроэкосистема (океан, континент, природная зона)

4) глобальная экосистема (биосфера в целом)

Ю. Одум предложил классификацию экосистемы на основе биомов. Это крупные природные экосистемы соответствующие физико-географическим зонам. Характеризуется каким – либо основным типом растительности или другой характерной особенностью ландшафта.

Типы биомов

1) наземные (тундра, тайга, степи, пустыни)

2) пресноводные (текучие воды: реки, ручьи, стоячие воды: озера, пруды, заболоченные воды: болота)

3) морские (открытый океан, воды шельфа, глубоководные зоны)

Понятие биогеоценоз и экосистема близки, но есть различия. Любой биогеоценоз это система. Экосистема может включать несколько биогеоценозов, но не каждая экосистема, есть биогеоценоз, поскольку не обладает всеми признаками его.

В экосистеме можно выделить два компонента - биотический и абиотический . Биотический делится на автотрофный (организмы, получающие первичную энергию для существования из фото- и хемосинтеза или продуценты) и гетеротрофный (организмы, получающие энергию из процессов окисления органического вещества - консументы и редуценты) компоненты, формирующие трофическую структуру экосистемы.

Единственным источником энергии для существования экосистемы и поддержания в ней различных процессов являются продуценты, усваивающие энергию солнца, (тепла, химических связей) с эффективностью 0,1-1 %, редко 3-4,5 % от первоначального количества. Автотрофы представляют первый трофический уровень экосистемы. Последующие трофические уровни экосистемы формируются за счёт консументов (2-й, 3-й, 4-й и последующие уровни) и замыкаются редуцентами, которые переводят неживое органическое вещество в минеральную форму (абиотический компонент), которая может быть усвоена автотрофным элементом.

Основные компоненты экосистемы

С точки зрения структуры в экосистеме выделяют:

1.климатический режим, определяющий температуру, влажность, режим освещения и прочие физические характеристики среды;

2.неорганические вещества, включающиеся в круговорот;

3.органические соединения, которые связывают биотическую и абиотическую части в круговороте вещества и энергии:

Продуценты - организмы, создающие первичную продукцию;

Макроконсументы, или фаготрофы, - гетеротрофы, поедающие другие организмы или крупные частицы органического вещества;

Микроконсументы (сапротрофы) - гетеротрофы, в основном грибы и бактерии, которые разрушают мёртвое органическое вещество, минерализуя его, тем самым возвращая в круговорот.

Последние три компонента формируют биомассу экосистемы.

С точки зрения функционирования экосистемы выделяют следующие функциональные блоки организмов (помимо автотрофов):

биофаги - организмы, поедающие других живых организмов,

сапрофаги - организмы, поедающие мёртвое органическое вещество.

Данное разделение показывает временно-функциональную связь в экосистеме, фокусируясь на разделении во времени образования органического вещества и перераспределении его внутри экосистемы (биофаги) и переработки сапрофагами. Между отмиранием органического вещества и повторным включением его составляющих в круговорот вещества в экосистеме может пройти существенный промежуток времени, например, в случае соснового бревна, 100 и более лет.

Все эти компоненты взаимосвязаны в пространстве и времени и образуют единую структурно-функциональную систему.

Термин биосфера был введён Жаном-Батистом Ламарком в начале XIX века, а в геологии предложен австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1875 году. Однако создание целостного учения о биосфере принадлежит русскому учёному Владимиру Ивановичу Вернадскому.

Биосфера - экосистема высшего порядка, объединяющая все остальные экосистемы и обеспечивающая существование жизни на Земле. В состав биосферы входят следующие «сферы»:

Атмосфера - это самая лёгкая из оболочек Земли, граничит с космическим пространством; через атмосферу происходит обмен вещества и энергии с космосом (внешним пространством).

Гидросфера - водная оболочка Земли. Почти такая же подвижная, как и атмосфера, она фактически проникает всюду.Вода - соединение с уникальными свойствами, одна из основ жизни, универсальный растворитель.

Литосфера - внешняя твёрдая оболочка Земли, состоит из осадочных и магматических пород. На данный момент под земной корой понимается верхний слой твёрдого тела планеты, расположенный выше границы Мохоровичича.

Биосфера тоже не замкнутая система, она фактически полностью обеспечивается энергией Солнца, небольшую часть составляет тепло самой Земли. Ежегодно Земля получает от Солнца около 1,3·1024 калорий. 40 % от этой энергии излучается обратно в космос, около 15 % идёт на нагрев атмосферы, почвы и воды, вся остальная энергия является видимым светом, который и является источником фотосинтеза.

В. И. Вернадский впервые чётко сформулировал понимание того, что всё живое на планете неразрывно связанно с биосферой и обязано ей своим существованием:

В. И. Вернадский

Живое вещество (совокупность всех организмов на Земле) составляет ничтожно малую часть от массы Земли, однако влияние живого вещества на процессы преобразования Земли огромно. Весь тот облик Земли, который наблюдается сейчас, не был бы возможен без миллиардов лет жизнедеятельности живого вещества.

На данный момент сам человек, как часть живого вещества, является существенной геологической силой и значительно изменяет направления процессов, происходящих в биосфере, тем самым ставя под угрозу своё существование:

В ярком образе экономист Л. Брентано иллюстрировал планетную значимость этого явления. Он подсчитал, что, если бы каждому человеку дать один квадратный метр и поставить всех людей рядом, они не заняли бы даже всей площади маленького Боденского озера на границе Баварии и Швейцарии. Остальная поверхность Земли осталась бы пустой от человека. Таким образом, всё человечество, вместе взятое, представляет ничтожную массу вещества планеты. Мощь его связана не с его материей, но с его мозгом, с его разумом и направленным этим разумом его трудом. В гуще, в интенсивности и в сложности современной жизни человек практически забывает, что он сам и всё человечество, от которого он не может быть отделён, неразрывно связаны с биосферой - с определённой частью планеты, на которой они живут. Они - геологически закономерно связаны с её материально-энергетической структурой. Человечество, как живое вещество, неразрывно связано с материально-энергетическими процессами определённой геологической оболочки Земли - с её биосферой. Оно не может физически быть от неё независимым ни на одну минуту. Лик планеты - биосфера - химически резко меняется человеком сознательно и главным образом бессознательно. Меняется человеком физически и химически воздушная оболочка суши, все её природные воды.

В. И. Вернадский.

Искусственные экосистемы

Пашня - типичная искусственная экосистема, неразрывно соседствует с естественным лугом

Искусственные экосистемы - это экосистемы, созданные человеком, например, агроценозы, природно-хозяйственные системы или Биосфера 2.

Искусственные экосистемы имеют тот же набор компонентов, что и естественные: продуценты, консументы и редуценты, но есть существенные отличия в перераспределении потоков вещества и энергии. В частности, созданные человеком экосистемы отличаются от естественных следующим:

меньшим числом видов и преобладанием организмов одного или нескольких видов (низкая выравненность видов);

невысокой устойчивостью и сильной зависимостью от энергии, вносимой в систему человеком;

короткими цепями питания из-за небольшого числа видов;

незамкнутым круговоротом веществ вследствие изъятия урожая (продукции сообщества) человеком, тогда как естественные процессы наоборот стремятся включить в круговорот как можно большую часть урожая

Без поддержания энергетических потоков со стороны человека в искусственных системах с той или иной скоростью восстанавливаются естественные процессы и формируется естественная структура компонентов экосистемы и вещественно-энергетических потоков между ними.

Живые организмы и их неживое (абиотичне) окружение неразрывно связаны друг с другом и находятся в постоянном взаимодействии.

Любое сообщество живых существ и среду его обитания, объединенные в единое функциональное целое, благодаря взаимозависимости и потока энергии, протекающей в них и веществ, называется экосистемой. Экосистему следует рассматривать как основную функциональную единицу в экологии.

С точки зрения теории систем, экосистемы представляют собой открытые системы. Важными компонентами для них среду на входе и среда на выходе. Наличие внешней среды следует считать свойством экосистемы.

Экосистема - универсальное понятие: экосистемой есть и капля воды из пруда, и в целом вся биосфера, то есть это понятие не ранговое. Наряду с термином экосистема существует и срок биогеоценоз - экосистема с определенным типом растительности (например, биогеоценоз лиственного леса, биогеоценоз степи и т.п.).

В этом смысле для крупных региональных или субконтинентальная биосистем используется термин биом.

В каждой экосистемы выделяется живая (биотическая) и неживая (абиотические) часть. Биотическая часть (биота) - это сообщество (совокупность) всех живых организмов в пределах выделенной экосистемы. Абиотические часть (абиота) - это неживое физическую среду, функционирующую вместе с сообществом.

Особый вопрос представляет собой почву, в котором интегрированы живые организмы и неживая вещество. По предложению академика В. И. Вернадского почву определяется как биокосные тело Земли.

Растительный покров представляет собой важнейший компонент любой наземной экосистемы. В экологии его определяют термином "фитоценоз". Фитоценоз это совокупность популяций автотрофных растений, связанных подобным отношением к условиям среды. Различают еще растения эдификаторы - то есть виды, которые играют основную роль в создании биосред в экосистеме. На рис. 2.1 и 2.2 изображены поток энергии в природном сообществе и круговорот веществ в экосистеме.

Рис. 2.1.

Рис. 2.2.

В экосистеме совместно находятся и функционируют множество видов. С точки зрения занимаемого пространства каждый вид характеризуется своим местопребыванием - местом, где он живет, местом, где его обычно можно найти. Однако одной пространственной характеристики для определения условий, в которых проживает вид, недостаточно. Более емким является понятие экологическая ниша - совокупность экологических характеристик вида: местонахождение, еда, место размножения, сопротивление факторам среды, отношения между конкурентами или враждебными видами, - то есть все условия его существования.

Так, например, при мелиорации земель происходит сужение, а то и закрытия экологических ниш для одних видов и расширение (создание новых) ниш для других.

Для жизни некоторых организмов необходимые условия, ограниченные узкими пределами. Такие организмы называются стеноекы. Другие, наоборот, приспосабливаются к более меняющимся условиям - евриекы. Экологическая валентность организма представляет его способность заселять различные среды. Можно сказать, что различные виды отличаются разной биологической стойкостью. Общий закон биологической устойчивости иллюстрируется рис. 2.3, а основные экологические законы приведены в Приложении 1.

Рис. 2.3.

С точки зрения трофической структуры (цепи питания) экосистема делится на два яруса: верхний автотрофный (самостоятельно питается) ярус, то есть растения, - здесь преобладает фиксация энергии света, использование простых неорганических соединений и накопления сложных органических соединений, и нижний гетеротрофный ярус (что питается другим), в котором преобладают растительноядные и хищники, трансформация и разложение сложных соединений.

В составе экосистемы выделяют следующие компоненты: неорганические вещества (С, ИМ, С02, Н20 и др.), Которые включаются в круговорот; органические соединения (белки, углеводы, липиды, гумусовые вещества и т.п.); воздушное, водяное и субстрат НЕ (минеральный раствор) среда, включающая климатический режим и другие физические факторы; продуценты - автотрофные организмы, которые могут делать пищу из простых неорганических веществ; макроконсументы - в основном бактерии и грибки .

Сообщество может быть представлено в следующем составе: продуценты - консументы - редуценты. Понятие "сообщество" часто употребляется и в более узком смысле - говорят, например, растительное сообщество (фитоценоз).

Для функционирования любой экосистемы необходимы следующие компоненты: солнечная энергия, вода, элементы питания (основные абиотические неорганические и органические соединения), содержащиеся в почвах, донных осадках и воде, автотрофные и гетеротрофные организмы, образующие биотические пищевые цепи.

Живые и неживые части экосистем тесно переплетены между собой в едином комплексе, так что разделить их трудно.

Основной процесс в любом растительном сообществе, в том числе в агроценозах (искусственная экосистема для продуцирования растительной массы) - фотосинтез. Процесс фотосинтеза включая запасные части энергии солнечного света в виде потенциальной или "связанной" энергии пищи }