1. Общие представления о биосфере
Все экосистемы Земли совокупно составляют БИОСФЕРУ, тонкий (по сравнению с остальной частью планеты слой жизни. Границы биосферы разными исследователями проводятся по-разному. Однако чаще в неё включают слой атмосферы толщиной 25-35 км (до озонового слоя), слой земной коры суши толщиной 3 км, где расположены нефтегазоносные воды с бактериальным населением, океан – до глубины 11 км. Тем не менее, жизнь в биосфере концентрируется в значительно более тонком слое, так как с удалением от поверхности суши или океана её интенсивность, измеряемая количеством продуцироемого органического вещества, резко падает.
Сухопутная часть биосферы называется ТРОПОСФЕРОЙ, водная- ГИДРОСФЕРОЙ.
Первым о существовании слоя жизни говорил Ж.-Б.Ламарк (1802), автором термина « биосфера « является Э.Зюсс (1875), однако, учение о биосфере было создано выдающимися русскими учёными В.И.Вернадским(1926). В дальнейшем предполагались другие термины, например» гея» (по имени богини земли ГЕИ). Автор этого термина Дж. Ловелок понимал под геей биологически регулируемый поверхностный слой планеты. Тем не менее, термин «биосфера» приоритетен, и само по себе учение Вернадского имеет непреходящее значение. Вернадский связал с жизнедеятельностью организмов формирование атмосферы, всего комплекса органических и неорганических веществ, включающих углерод, и т.д.
Биомасса биосферы оценивается в 2,5 триллиона тонн сухого вещества, причём на суше расположено 99% этой биомассы. Обитающие в водной среде планктонные организмы имеют непродолжительную жизнь, но, несмотря на столь незначительную биомассу, дают до 1\3 продукции биосферы. Более выровненная среда океана объясняет то, что биологическое разнообразие в нём беднее, чем на суше: соотношение числа морских и сухопутных видов – 1:5.
Определение функции биосферы очень точно дали Дж.Аллен и М. Нельсон: «Биосфера на нашей планете выполняет уникальную и исключительно важную функцию, действуя в качестве механизма выработки и накопления свободной энергии, а также термодинамического показателя имеющейся энергии, благодаря которой она организуется, совершенствуется, преобразует себя в среду» (1991г.).
В биосфере сегодня разнообразие органических соединений неизмеримо выше, чем неорганических (примерное соотношение – 2 миллиона к 20 тысячам!). По эффективности «лаборатории» биосферы намного превосходят лаборатории химиков и цеха предприятий. Поразительна способность живого вещества связывать азот. На предприятии это требует огромной энергии для обеспечения давления в 300 атмосфер и температуры в 500 градусов С.
2. Царства природы
Живое население биосферы разнообразно. В настоящее время известно около 2 млн. видов, но, по некоторым данным, их количество приближается к 5 млн. (Р.Мей). Считается, что расширение знаний о числе видов будет достигнуто в основном за счёт простейших животных, в первую очередь – с паразитным типом питания.
Биологическое разнообразие планеты объединено в четыре царства природы. Группа организмов разных царств образуют самые крупные функциональные блоки биосферы как самой большой экосистемы.
ГРУППЫ ОРГАНИЗМОВ.
1. Дробянки (прокариоты) – безъядерные организмы, которые играют роль редуцентов, биологических азотфиксаторов, продуцентов (хемотрофов и фототрофов).
В составе царства -два подцарства:
Бактерии – организмы микроскопически малых размеров, преимущественно с гетеротрофным типом питания, которые играют важную роль в функционировании естественных и искусственных экосистем. Им принадлежит ведущая роль в круговоротах элементов питания. Бактерии выступают в качестве регуляторов плотности популяций организмов (микропаразиты), вступают с растениями и животными в симбиотические отношения типа сотрудничества – мутуализма (бактерии желудка жвачных животных, бактерии -азотфиксаторы на корнях бобовых и вокруг корней растений любых семейств). Существуют бактерии, которые используют в качестве источника энергии свет (окрашенные в красный, оранжевый, зелёный цвета хлорофиллами и каротиноидами). Однако при этом варианте фотосинтеза свободный кислород не выделяется.
Цианеи (сине-зелёные водоросли) – микроскопические одноклеточные и многоклеточные организмы, которые обитают в воде и почве, они являются фототрофами и биологическими азотфиксаторами. При « растекании жизни» (В.И. Вернадский) цианеи становятся пионерами, заселяющими самые бедные и холодные субстраты, обнажающиеся при таянии ледников.
Три остальные царства представлены эукариотами, т.е. организмами, клетки которых имеют ядра.
Растения – фототрофные организмы, размножающиеся спорами (мхи, плауны, хвощи, папоротники) или семенами (голосеменные, цветковые). К растениям также относятся разнообразные водоросли, входящие в состав водных экосистем и обитающие в почве. Совокупность видов растений называется флорой.
Все растения, независимо от сложности их организации и условий среды, которые требуются им для жизни, выполняют одну биосферную функцию – фиксируют солнечную энергию и используют неорганический углерод в процессе фотосинтеза, снабжая органическим веществом все остальные группы организмов экосистемы. Условно к растениям относятся лишайники – сложные организмы из гриба и водоросли, которые связаны отношениями мутуализма.
Разнообразие растений в мире достаточно велико. В их составе- около 300 тысяч видов цветковых растений, около 700 видов голосеменных, 10 тысяч видов папоротникообразных. Количество мохообразных составляет примерно 25 тысяч видов, водорослей – около 10 тысяч видов.
Животные- разнообразнейшее царство природы, гетеротрофы. Совокупность видов животных называется фауной. В составе этого царства около 4 тысяч видов млекопитающих, 9 тысяч видов птиц, 20 тысяч видов рыб, 25 тысяч видов амфибий, 5,5 тысяч видов рептилий, около 1 миллиона видов насекомых и свыше 500 тысяч видов прочих низших животных (черви, кишечнополостные, моллюски, различные одноклеточные).Только на территории России встречается 20видов амфибий, 50 видов рептилий, 700 видов птиц, 245 видов млекопитающих. Животные населяют все среды жизни – водоёмы, почвы и приземистый слой атмосферы.
В экосистемах животные входят в состав групп фитофагов, зоофагов (хищников разных порядков), паразитов, детритофагов (поедателей мёртвого органического вещества.). Разделение животных по этим трофическим группам часто условно, так как многие из них характеризуются смешанным типом питания. Так, птицы в период откорма потомства- типичные хищники, питающиеся насекомыми, но в другие периоды года они могут довольствоваться семенами и плодами. Смешанный рацион питания (из растительной и животной пищи) имеет большинство карповых рыб, а также представители млекопитающих- медведь, лиса, свинья, крыса и др. Животные- фитофаги и паразиты- основные регуляторы плотности популяций и переносчики семян для многих видов растений.
Грибы - совокупность гетеротрофных организмов, отличающихся от животных тем, что они ведут прикреплённый образ жизни и имеют неограниченный рост. Раньше грибы включались в царство растений. Грибы различают по размерам - от микроскопических(дрожжевых) до гигантских дождевиков с весом плодового тела в 50 кг- и разделяют на несколько функциональных групп:
Сапротрофы- редуценты, разрушающие мёртвое органическое вещество.
Симбиотрофы- входят в симбиоз с корнями высших растений и формируют микоризу, что облегчает поглощение растениями питательных элементов из почвенного раствора.
Паразиты - регулируют плотность популяции растений и животных. Грибные болезни (головня, ржавчина и др.) наносят ущерб сельскому хозяйству.
3. Основные циклы веществ в биосфере
Химические элементы циркулируют в биосфере. Циклы веществ характеризуются скоростью, замкнутостью и типом запасного фонда. Газообразные формы составляют подвижный, обменный фонд, а твёрдые и жидкие соединения с его участием- консервативный, резервный фонд, очень медленно вовлекаемый в круговорот.
Важнейшие циклы биосферы:
1. Круговорот воды в биосфере происходит по схеме: выпадение атмосферных осадков, поверхностный и внутрипочвенный сток в водоёмы, испарение, перенос водяного пара, конденсация, повторное выпадение осадков и т.д. Вода испаряется не только поверхностью водоёмов и почв, но и живыми организмами, ткани которых на 70% состоят из воды. Большое количество воды испаряется растениями; они используют воду как элемент питания, как среду, в которой протекают жизненные процессы, и как субстанцию, вместе с которой поступают к ним из почвы питательные вещества.
До развития цивилизации круговорот воды был равновесным. Однако вмешательство человека существенно нарушило этот цикл, особенно в последние десятилетия. В частности, уменьшается испарение воды лесами ввиду сокращения их площади и, напротив, увеличивается испарение с поверхности почвы при орошении сельскохозяйственных угодий. Испарение с поверхности океана уменьшается вследствие появления на воде тончайшей плёнки нефти. Наконец, на круговорот воды воздействует парниковый эффект- потепление климата под влиянием повышения концентрации углекислого газа в атмосфере. При усилении этих тенденций могут произойти значительные изменения круговорота воды. Это уже проявляется в неравномерности распределения осадков по территории планеты. В результате этого, в одних районах происходят небывалые по масштабам наводнения, а в других- жестокие засухи.
2.Круговорот кислорода в биосфере осуществляется за счёт пополнения атмосферных запасов кислорода в результате фотосинтеза растений, его поглощения при дыхании организмов, сжигание топлива в промышленности и на транспорте. В настоящее время поддерживается равновесный круговорот кислорода. Сохранение равновесного круговорота кислорода является одной из глобальных задач охраны природы.