БИОСФЕРА И ЕЕ ГРАНИЦЫ

Агроценозы

Леса, тундры, степи, пустыни, реки, моря и т.д. – естественные экосистемы. Поля, огороды, сады, парки, лесные насаждения, пастбища - созданные человеком экосистемы.Агроценозы- такие системы, структуру и функцию которые создает, поддерживает и контролирует человек в своих инте­ресах. Пример: поле пшеницы, сад и т. д.

В агроценозе существуют те же самые группы организмов, что и в природной экосистеме: продуценты, консументы и редуценты. В агроценозе складываются пищевые цепи, как ив природной экосистеме. 0бязательным_звеном этой пищевой цепи является человек, возделывающий поля и собирающий урожай.

Энергия и питательные вещества, аккумулированные растениями, проходят по всей пищевой цепи агроценоза. Часть энергии растрачивается в процессе дыхания организ­мов, часть ее выносится вместе с урожаем из агроценоза, часть закрепляется в органическом веществе почвы. Питательные вещества частично удаляются с урожаем, частично возвра­щаются в почву, т. е. структура и функции сообщества в агроценозе и естественном биогеоценозе похожи, агроценоз является такой же сложной экологической системой, как лес и луг.

Отличия агроценоза от биогеоценоза: в агроценозах дейст­вие естественного отбора ослаблено, здесь действует искусст­венный отбор. Человек направляет отбор на повышение урожайности сельскохозяйственных культур. В естественных биогеоценозах естественный отбор направлен на создание организмов, устойчивых к действию неблагояприятных факторов среды. В агроценозах человек создает организмы с максимальной продуктивностью, следовательно действуют различные факторы отбора. Биогеоценозы используют единственный источник энергии - Солнце. Агроценозы получают наряду с солнечной энергией дополнительную энергию, которую вносит человек.

Самое существенное различие - в балансе питательных элементов. В биогеоценозе все элементы, потребляемые расте­ниями, со временем возвращаются в почву. Из агроценозов часть питательных элементов выносится урожаем.

Природные биогеоценозы - саморегулирующиеся экосис­темы, агроценозы регулируются человеком. Если агроценоз не поддерживать, то он быстро разрушится и исчезнет.

Появление и развитие жизни на земном шаре привели к образованию качественно новой структурной оболочки -биосферы. Этот термин впервые ввел А. Гумбольдт (1826), обозначив им область жизни, где организмы влияют на процессы, происходящие на Земле.

Основоположником современных представлений о био­сфере был акад. Владимир Иванович Вернадский71926-194О). Впервые он изложил свои взгляды в книге «Биосфера» в 1926 г. Он расширил содержание этого термина и создал учение о биосфере. С современных позиций биосфера(греч. «биос» - жизнь, «сфера» - шар) - это единая открытая термодинамически (потоки энергии поступают постоянно из космоса), качественно своеобразная оболочка Земли, в кото­рой сосредоточена жизнь и осуществляется постоянное взаимодействие всего живого с неорганическими условиями среды Состоит она из экосистем, каждая из которых представляет собой целостное единство разнообразных живых организмов и окружающей их природы, с которой они обмениваются непрерывно веществом, энергией и инфор­мацией.

Границами биосферы служат: вся гидросфера, верхние слои литосферы и нижняя часть атмосферы до озонового слоя ( 20-25 км).

Литосфера- это твердая оболочка Земли, протяженностью 30-70 км. Верхняя часть ее состоит из осадочных горных пород, под которыми лежат гранитный и базальтовый слои. Различают 3 основных типа земной коры: континенталь­ный, океанический и переходной. Континентальная кора характеризуется наличием всех трех слоев и большой мощ­ностью (до 70 км), для океанической присущи отсутствие гранитного слоя и общая незначительная протяженность (5-10 км). Осадочный слой сложен глинами, песчаниками, известняками и т. д., образовавшимися на поверхности Земли в результате переотложения продуктов выветривания и разрушения более древних пород. Мощность его изменчива, местами достигает толщины до 15-25 км. Гранитный слой (25-30 км) состоит главным образом из магматических пород группы гранита, богатых кремнеземом, и метаморфических (преобразованных под влиянием высоких температур и давления осадочных и магматических минералов). Базаль­товый образован из бедных кремнеземом базальтов (первона­чальная кристаллическая кора Земли) и метаморфических. Под материками он достигает 30 км, под океанами - 2-15 км.

Нижняя граница биосферы в литосфере определяется глу­биной распределения температуры, приближающейся к100°С.

Атмосфера- газовая оболочка Земли, простирающаяся на 2000км от поверхности, состоящая в основном из азота (78,08% объема), кислорода (2О7у5%), аргона (0,93%) и углекислого газа (0,03%). На долю остальных компонентов приходится около 0,01% общего объема.

Она имеет довольно четко выраженное слоистое строение, здесь выделят: тропосферу, стратосферу.

Тропосфера - примыкающий к поверхности планеты нижний слои протяженностью от 9 до 17 км. Здесь заключено около 80% всей массы атмосферы и практически весь водяной пар. Температура с высотой падает, на каждые 100 м по 0,6°С, в результате на верхней границе она достигает -56-60°С.

Стратосфера располагается выше - до 50 км. Характерно относительное постоянство температуры до высоты 25 км и в .дальнейшем постепенное повышение от 0-10°С. В нижней части этой зоны располагается озоновый слой. Максимальная концентрация его на высоте 15-26 км, у полюсов под влиянием магнитного поля Земли он находится ниже - 8-30 км, у экватора — 15-35 км. Озоновый слой поглощает космические излучения и почти полностью ультрафиолетовые лучиСолнца, губительные для всего живого (200-290 нм), поэте-: он определяет верхнюю границу биосферы. Выше для атмо­сферы присуще чрезвычайно сильное разрежение газов и постепеный распад молекул до ионов, поэтому на высоте 200-400 км выделяют слой ионосферу, где идет основной распад и это первый защитный экран земли, поглощающий жесткое ультрафиолетовое излучение (до 200 нм).

Гидросфераобразует водный слой, занимая 70,8% поверх­ности планеты. Границы жизни отмечены глубиной 11 км. В ней растворены соединения около 100 химических элементов.

В общем биосфера - «пленка жизни» — относительно тонкая и достигает лишь толщины около 40 км, но она действует как мощная геологическая сила, формирующая облик планеты.

Биосфера многокомпонентная система, в которую входят:

а) живое вещество (все растения, животные, микро­организмы, грибы);

б) биогенное вещество органического происхождения, подразделяющееся на фитогенное, созданное из отмерших растительных остатков (нефть, каменный уголь, газ, торф и
т. д.) и зоогенное - остатки животных организмов (мел, известняк, осадочные породы);

в) косное вещество - горные породы магматического неорганического происхождения, создающие земную кору;

г) биокосное - продукт распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами (почвы);

д) вода;

е) вещество космического происхождения, выпавшее на Землю ( космическая пыль, метеориты).

По вертикали биосфера делится на 2 зоны:

а) фотобиосфера - здесь идет фотосинтез с образованием первичной биопродукции;

б) меланобиосфера - этот процесс невозможен (глубинные зоны океана и т. д.).

Живоевещество - совокупность биомассы всех живых организмов биосферы. Это открытая система, для которой характерны рост, размножение, распространение, обмен веществ и энергией с внешней средой. На Земле существует около 2 млн. видов растений и животных. Причем, видов сухопутных животных и растений, соответственно, 93% и 92%, водных - только 7% и 8%. Масса живого вещества континентов превышает в 800 раз биомассу Мирового океана. Наибольшая его концентрация в биосфере сосредоточена на границе соприкосновения геосфер: образуется двуслойная структура. Это места наибольшего «сгущения жизни» -наиболее интенсивной миграции атомов и трансформации энергии.

Важнейшие показатели живого вещества: его биомасса и продуктивность.

Общий вес живого вещества равен 2423 млрд. т сухого вещества, причем на долю растений приходится 97%, остальное - животные, микроорганизмы и грибы. Ежегодно прирастает и разлагается в среднем 10¹⁰-10¹¹т органического вещества, т.е. в пересчете на зольные элементы и азот - это 10⁸-10⁹ т ежегодно принимает участие в круговороте веществ Земли. Этот показатель тесно связан с биологической продуктивностью, т. е. количеством органического вещества, производимого организмами в единицу времени на единицу площади или объема (т/га/год). Растения планеты ежегодно образуют 170-180 млрд. т органического вещества, причем на долю лесов приходится до 80% всей биомассы, связывают более 200 млрд. т углекислого газа и выделяют в атмосферу 145 млрд. т свободного кислорода, только растительного белка на планете ежегодно создается 330 млн. т. Средняя первичная продуктивность суши -8,15 т сухого вещества в год на га (колеблясь от 3 до 11 т/га). Континенты в 3 раза продуктивнее Мирового океана из расчета на единицу поверхности.

Почвенный покров образует на Земле особую биогеохими­ческую оболочку - педосферу. Это область наибольшей кон­центрации живых организмов и продуктов их разложения. Суммарные запасы гумуса почв - 2,4 • 10¹² т, или 160 т/га. Запасы энергии, связанные в почвенном покрове -4,2 • 10²⁰ кДж, равны количеству энергии, которое содержится во всей наземной биомассе растении.

Общая масса органического вещества, накопленного в осадочной оболочке литосферы планеты - 1,18 • 10¹⁸ т.

Биомасса Мирового океана составляет 0,13% от общего объема живого вещества Земли. Соотношение обратное: растений - 6,3% биомассы, животных и микроорганизмов -93,7%. Несмотря на то, что биомасса океана намного меньше этого показателя на суше, но интенсивность создания биопродукции в год их близка.

Основные свойства живого вещества биосферы:

1. Характеризуется огромной свободной энергией способ­ностью её запасать.

2.Резкое отличие от неживого в скорости протекания химических реакций с помощью ферментов.

3.Слагающие живое - индивидуальные химические соеди­нения, обладающие структурной компактностью и энергетической экономичностью, проявляющиеся в высочайшей упо-
рядочности на молекулярном уровне.

4. Наличие движения: пассивное - рост и размножение рас­тений, активное - перемещение организмов в пространстве.

5.Значительное морфологическое и химическое разно­образие (известно более 2 млн. органических соединении, вхо­дящих в состав живого, но существует лишь около 2000 мине­ралов, слагающих литосферу Земли).

6.Представлено в виде индивидуальных организмов, кото­рые имеют конечное время жизни и всегда входят в эко­системы.

7. Все живое происходит только от живого (принцип Реди).

Наличие эволюционного процесса на уровне биологи­ческих систем, следовательно, эволюции биосферы в целом не обратима и носит прогрессивный характер.

8. Наличие эволюционного процесса на уровне биологических систем, следовательно, эволюция биосферы в целом необратима и носит прогрессивный характер.

9. Все живые организмы обладают обратными (положи­
тельными или отрицательными) связями через взаимодей­
ствие друг с другом

10. Биологические системы относятся к открытым,
обмениваясь непрерывно веществом, энергией и информа­
цией с окружающей средой и не равновесны к ней.

Основные биогеохимические функции живого вещества в биосфере:

1. Газовая или энергетическая - постоянный газообмен с окружающей средой в процессе фотосинтеза, дыхания. Поглощение солнечной энергии с образованием биомассы и передача ее по пищевым цепям.

2.Концентрационная - избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных элементов, используемых на строение тела и удаление их из него при процессах
выделения. После отмирания и минерализации биогенные атомы мигрируют в неживую природу.

3.Деструктивная или окислительно-восстановительная - обмен вещества и энергии с внешней средой; при диссими­ляции окисляются органические вещества, выделяется тепло
и в АТФ аккумулируется энергия химических связей. При ассимиляции образуются химические вещества, необходимые организму, за счет усвоения и превращения питательных
веществ у животных и фотосинтеза у зеленых растений, при этом используется энергия АТФ. Минерализация небиоген­ных веществ и разложение неорганического вещества в почве,
коре выветривания, гидросфере. Восстановление сероводорода и сульфидов - металлов из сульфатов с помощью бактерий.

4.Средообразующая - преобразование физико-химических параметров окружающей среды и ландшафтов, относительное постоянство внутренней среды экосистем.

5.Транспортная или биохимическая - перенос веществ в различных направлениях в результате питания, роста, размножения, перемещения особей, химическое превращение
живого вещества после его отмирания через биокосное тело в косное.

6.Эколого-информационная - взаимодействие организмов и компонентов среды внутри экосистем и обеспечение обмена информацией между организмами.

Роль живого вещества в эволюции биосферы.

а) Стабилизировался газовый состав атмосферы.

б) Превращение восстанавливающей (анаэробной) обста­новки на планете в окислительно-восстановительную.

в) Преобразование химической и минералогической струк­туры литосферы.

г) Повышение химической активности природных вод.

д) Повышение общего термодинамического баланса био­сферы.

е) Избирательно извлекая и выделяя обратно химические элементы и их изотопы, живое вещество создает и сохраняет, в освоенных ею областях, общепланетарный биотический круговорот веществ.

ж) Связывая энергию и накапливая её в поверхностных оболочках Земли жизнь препятствует энтропии, т. е. рассеи­ванию её.

Биосфера и эволюция.Эти два процесса образования биосферы, расширение ее границ и эволюция органического мира шли одновременно. Именно интенсивность размно­жения одноклеточных организмов сыграла первичную и важную роль в накоплении биомассы Земли. Главные направления дальнейшей эволюции:

- в усовершенствовании способности использования солнечной энергии для синтеза органических веществ (эволюция растительного покрова);

- усложнение Путей миграции химических элементов (эволюция животного мира);

- способность организмов приспособиться к разнообраз­ным средам обитания, что способствует расширению границ биосферы (напр., пещерная фауна, глубоководный бентос,
микроорганизмы горячих источников и т. д.).

Ограничением для эволюционных преобразований видов являются сложившиеся системы круговорота веществ и потоков энергии, которые в какой-то мере направляют процессы видообразования. В ходе геологического времени эволюция видов идет в направлении создания форм жизни, устойчивых в биосфере, которые своей жизнедеятельностью усиливают биогенную миграцию атомов. Растет органи­зованность эволюционного процесса, который все больше контролируется сложившейся в биосфере системой био­геохимических циклов веществ и трансформации энергии.