Вопрос39.Учение В.И.Вернадского о биосфере. Биомасса

Специфическое свойство жизни – обмен веществ со средой. Любой организм должен получать из внешней среды определенные вещества как источники энергии и материал для построения собственного тела. Продукты метаболизма, уже непригодные для дальнейшего использования, выводят наружу. Таким образом, каждый организм или множество одинаковых организмов в процессе своей жизнедеятельности ухудшают условия своего обитания. Возможность обратного процесса – поддержания жизненных условий или даже их улучшения, - определяется тем, что биосферу населяют разные организмы с разным типом обмена веществ.
В простейшем виде набор качественных форм жизни представлен продуцентами, консументами и редуцентами, совместная деятельность которых обеспечивает извлечение определенных веществ из внешней среды, их трансформацию на разных уровнях трофических цепей и минерализацию органического вещества до составляющих, доступных для очередного включения в круговорот (основные элементы, мигрирующие по цепям биологического круговорота, - углерод, водород, кислород, калий. Фосфор, сера и т.д.).
Продуценты - это живые организмы, которые способны синтезировать органическое вещество из неорганических составляющих с использованием внешних источников энергии. (Отметим, что получение энергии извне - общее условие жизнедеятельности всех организмов; по энергии все биологические системы - открытые) их называют также автотрофами, поскольку они сами снабжают себя органическим веществом. В природных сообществах продуценты выполняют функцию производителей органического вещества, накапливаемого в тканях этих организмов. Органическое вещество служит и источником энергии для процессов жизнедеятельности; внешняя энергия используется лишь для первичного синтеза.
Все продуценты по характеру источника энергии для синтеза органических веществ подразделяются на фотоавтотрофов и хемоавтотрофов. Первые используют для синтеза энергию солнечного излучения в части спектра с длиной волны 380-710 нм. Эго главным образом зеленые растения, но к фотосинтезу способны и представители некоторых других царств органического мира. Среди них особое значение имеют цианобактерии (сине-зеленые «водоросли»), которые, по-видимому, были первыми фотосинтетиками в эволюции жизни на Земле. Способны к фотосинтезу также многие бактерии, которые, правда, используют особый пигмент - бактериохлорин - и не выделяют при фотосинтезе кислород. Основные исходные вещества, используемые для фотосинтеза,- диоксид углерода и вода (основа для синтеза углеводов), а также азот, фосфор, калий и другие элементы минерального питания.

Учение о биосфере - одно из крупнейших философских обобщений в области естественных наук - было создано академиком В. И. Вернадским (1863-1945). Живое вещество биосферы, по определению В. И. Вернадского представляет собой совокупность ее живых организмов. Значит, границы биосферы - границы распространения жизни на планете.

Функции живого вещества

Быть живым, отмечал В. И. Вернадский,- значит быть организованным. На протяжении миллиардов лет существования биосферы организованность создается и сохраняется деятельностью живого вещества. Живое вещество выполняет в биосфере важнейшие биохимические функции, обеспечивающие круговорот веществ и энергии.

Газовая функция осуществляется зелеными растениями: для синтеза органических веществ они используют углекислый газ, при этом выделяют в атмосферу кислород. Весь остальной органический мир использует кислород в процессе дыхания и пополняет при этом запасы углекислого газа в атмосфере. Благодаря способности автотрофных организмов к фотосинтезу из древней атмосферы было извлечено огромное количество углекислого газа. По мере увеличения биомассы зеленых растений изменялся газовый состав атмосферы: снижалось содержание углекислого газа и увеличивалась концентрация кислорода. Таким образом, живое вещество качественно изменило газовый состав атмосферы - геологической оболочки Земли.

С газовой функцией живого вещества тесно связана окислительно-восстановительная функция. Так, некоторые микроорганизмы непосредственно участвуют в окислении железа, что привело к образованию осадочных железных руд, другие восстанавливают сульфаты, образуя биогенные месторождения серы.

Концентрационная функция проявляется в способности живых организмов накапливать различные химические элементы. Например, в таких растениях-накопителях, как осоки, хвощи, содержится много кремния; морская капуста и щавель - источники йода и кальция. В скелетах позвоночных животных содержится большое количество фосфора, кальция, магния. Благодаря осуществлению концентрационной функции живые организмы создали многие осадочные породы, например залежи мела и известняка.

Круговорот веществ в биосфере

Все структурные компоненты биосферы: горные породы, природные воды, газы, почвы, растительность, животные, микроорганизмы - связаны непрекращающимся процессом круговоротного движения. Круговорот веществ - важный фактор существования биосферы, поддерживающий ее целостность и устойчивость.

Каждый элемент, входящий в состав живого вещества, поступает в организм из окружающей среды, вовлекается в процесс клеточного метаболизма, после чего снова возвращается в окружающую среду, а затем опять используется живой природой. Следовательно, химические элементы многократно вовлекаются в круговорот веществ. В противном случае запасы любого элемента на Земле быстро бы иссякли и жизнь прекратилась. Но вместе с тем некоторая часть биосферного вещества благодаря концентрационной функции живых организмов выходит из круговорота за пределы современной биосферы, в глубокие слои земной коры. Вот почему каждое последующее состояние биосферы не повторяет предшествующее, биосфера постоянно обновляется, что способствует ее прогрессивному эволюционному развитию. Так, круговорот углерода совершается в течение 3000-5000 лет. Доля углерода, выходящего из этого цикла, ничтожно мала - около стомиллионной доли процента от общего количества находящегося в обращении углерода. Но за всю геологическую историю биосферы таких «выходов» углерода за пределы биосферы произошло около 100 тыс., и это привело к накоплению в геологическом прошлом триллионов тонн ископаемого органического вещества, запасенного в углях, нефти, битумах, известняках и других полезных ископаемых.

Итак, механизм взаимодействия живого (биотического) и неживого (абиотического) состоит в вовлечении неорганической материи в сферу жизни; после ряда превращений - возврат биотического в прежнее, абиотическое состояние.

По той роли, которую играют в этом процессе различные виды организмов, они делятся на три большие группы:

Продуценты - организмы, производящие, продуцирующие живое вещество из неживого. В основном это фотосинтетики: высшие и низшие зеленые растения;

Редуценты - организмы, превращающие органическое вещество в минеральное - исходный продукт для следующего цикла. Это - бактерии, грибы, растения-сапрофиты.

Образно говоря, начинают эстафету жизни зеленые растения, затем ее подхватывают животные, а к финишу доносят бактерии, где снова подбирают растения. Круг замыкается, чтобы дать начало новому обороту, и так бесконечно.

Таких сообществ с замкнутыми пищевыми цепями - биоценозов - на Земле множество. Вместе с той средой, в которой протекает их жизнедеятельность (биотопом), они образуют относительно самостоятельные природные комплексы - биогеоценозы. Основные биогеоценозы мира: моря, реки, озера, болота, леса, степи, пустыни, тундры.

Рождение биосферы можно рассматривать как качественный скачок в эволюции материи. До ее возникновения на земной поверхности преобладали процессы неживой природы. Живые организмы с момента возникновения стали могущественной геохимической силой, действующей на Земле около 4 млрд. лет. Живые организмы полностью регулируют состав газовой оболочки нашей планеты, соляной состав вод Мирового океана, обеспечивают круговорот многих химических элементов, использование и трансформацию солнечной энергии, образование почвы, нефти, угля, осадочных пород и других геологических отложений.

Загрязнение биосферы человеком

Человек - элемент биосферы. В начале своей истории он оказывал такое же влияние на ход геохимических процессов, как и любой другой гетеротрофный вид живых организмов. Однако в связи с развитием науки и техники человечество стало могущественной геохимической силой. В природе нет такого быстротекущего геологического процесса, с которым можно было бы сравнить деятельность человека, особенно теперь, когда он вооружен огромным арсеналом воздействий на природу.

Существовавшая всего несколько десятилетий назад точка зрения о том, что биосфера обладает сверхвысокой устойчивостью, что животные, растения, минеральные, энергетические ресурсы Земли неисчерпаемы, оказалась несостоятельной. Промышленность и сельское хозяйство развитых стран заметно нарушили круговорот воды и связанный с ним круговорот химических элементов, загрязнили атмосферу, которая снабжает нас кислородом, и гидросферу, которая дает воду.

Мы живем в веке, когда воздействие на биосферу должно сочетаться с мудростью предвидения его результатов. Способность быть ответственным за все, что происходит на Земле, может быть, есть главная особенность того, что мы называем цивилизацией.

Нарушение кислородного баланса Земли

Свежесть воздуха, содержание в нем кислорода связаны с интенсивным процессом фотосинтеза зеленых растений. Кислород, которым мы дышим и который используется в качестве окислителя при сгорании ископаемого топлива, образовался за 2-3 тыс. лет фотосинтетической деятельности растений всего мира: как сухопутных, так и морских, как деревьев, так и микроскопических водорослей.

С точки зрения сохранения баланса кислорода на Земле не может удовлетворить равенство между гектарами вырубленного и посаженного леса. Ведь фотосинтетическая продуктивность взрослого дерева не идет в сравнение с таковой у саженца. Уже сейчас в ряде промышленно развитых стран при сгорании топлива расходуется гораздо больше кислорода, чем выделяется растениями при фотосинтезе. Значит, эти страны пользуются кислородом, «произведенным» в других странах, в частности кислородом сибирской тайги.

Особую роль в обеспечении Земли кислородом играют влажные тропические леса Южной Америки, Экваториальной Африки, Индокитая. Это как бы легкие нашей планеты. Не получая от высокоразвитых стран компенсации за сохранение своих лесов, развивающиеся страны вынуждены интенсивно вырубать их ради получения экспортной древесины. Тем самым человечество все более быстрыми темпами нарушает кислородный баланс Земли.

Озоновый экран - хрупкая оболочка, спасающая жизнь на Земле от пагубного "воздействия ультрафиолетовых лучей,- возник из кислорода биогенного происхождения около 500 млн. лет назад. Нарушение этого защитного слоя (а оно происходит в результате появления в атмосфере фреона) сделает невозможной жизнь на суше. Возобновление же озонового экрана происходит чрезвычайно медленно и длится тысячи лет.

Загрязнение вод

Для питья, орошения, технологических нужд человеку необходима чистая вода. Чистота воды - результат биогенных процессов, т. е. процессов биологической очистки всех малых и больших водоемов. Чистота вод озера Байкал объясняется не просто тем. что в него впадает 300 относительно чистых сибирских рек. Эти реки несут с собой муть, взвеси, остатки отмерших организмов. И если бы не уникальная фауна и флора Байкала, осуществляющие процесс биологической самоочистки, то озеро в лучшем случае представляло бы собой отстойник для привносимой в него «мертвой» воды. Только один вид байкальских полумикроскопических рачков - эпишура - за год 30 раз профильтровывает через жабры 50-метровую толщу вод поверхностных слоев Байкала. А за чистоту более глубоких слоев ответственны другие организмы. Все организмы Байкала связаны между собой тысячами сложных отношений, обеспечивающих очень хрупкое биологическое равновесие этого сообщества. Его нарушение в каком-нибудь звене, резкое снижение численности одного вида, который иногда кажется второстепенным, может со временем привести к гибели всей системы. Сохранить Байкал - долг нашего поколения.

Экологическая опасность нависла и над волжской водой. Известны нормы забора воды: чтобы река жила, нельзя брать больше 1/25 ее части. Только в этом случае может активно действовать естественная природная система самоочищения. В настоящее время на нужды сельского хозяйства и промышленности используется 1/6 часть волжской воды. Большую опасность для Волги представляет промышленность, отбросы которой губят и реку, и рыбу. Необходим единый план развития Волжского бассейна, учитывающий взаимосвязь всех его регионов и отраслей.

Сберечь плодородие земель

Почва, воздух, вода - продукты жизнедеятельности многих десятков тысяч видов организмов. Наши предки жили еще в пещерах, умели лишь поддерживать огонь, когда в результате взаимодействия тысяч видов микроорганизмов, грибов, зеленых растений и животных шло образование чернозема, который начал использоваться для земледелия в европейской части России всего 250-350 лет назад, на Алтае - около 75, а в Казахстане менее 30 лет назад.

Неправильной пахотой вдоль, а не поперек склона тракторист за один сезон может разрушить пахотный слой почвы, на образование которого ушли сотни, иногда и тысячи лет. Неумелое применение удобрений, ядохимикатов влечет за собой гибель жизненно важной почвенной микрофауны (нематоды, ногохвостки, многие клещи) и макрофауны (дождевые черви, многоножки, жуки, двукрылые).

Сокращение видового разнообразия

Население Земли постоянно растет, в настоящее время оно увеличивается на 172 человека в минуту, на 250 тыс. в день и на 90 млн. в год и к 2000 г. составит примерно 6,5 млрд. В связи с ростом населения все новые территории включаются в активную хозяйственную деятельность: распашка полей, строительство новых промышленных комплексов, прокладывание дорог, расширение площадей поселков и городов. Следовательно, уменьшается пространство для диких животных и растений, разрушаются их места обитания, сокращаются численность и разнообразие.

В последнее время, по данным МСОП, в среднем на нашей планете ежегодно исчезает по одному виду или подвиду позвоночных животных. Вытесняя из жизни очередной биологический вид, мы обкрадываем себя, так как теряем драгоценный генофонд, обрываем информацию, которая идет из глубины веков, обедняем биосферу. Техносфера не может заменить биосферу, и никакая рукотворная природа не заменит естественной природы. Водохранилища не равноценны озерам, лесопарки - это не природный лес. Они не жизнеспособны, так как лишены главного признака жизни - способности к самовозобновлению и самосохранению.

Следует, однако, сказать, что некоторые живые существа чувствуют себя комфортно в антропогенных условиях. Усиление влияния хозяйственной деятельности человека на биосферу благоприятно сказывается на эволюции крыс, домовых мышей, ворон, голубей, некоторых видов пещерных пауков (они, вероятно, принимают каменные дома за пещеры), домовых мух, молей, находящих благоприятную среду в виде запасов одежды, хранящейся почти в каждом доме. В загрязненных сточными водами водоемах в небывалом прежде количестве развиваются сине-зеленые (цианеи). Они были одними из первых форм жизни на нашей планете и являются как бы живыми ископаемыми. Создавая условия для развития сине-зеленых, мы, словно, отбрасываем эту часть биосферы на миллиарды лет назад.

Ноосфера

Ноосфера - стадия развития биосферы. В. И. Вернадский первым осознал, что человек стал геологической силой, способной преобразовывать природу в больших масштабах. Он отмечал, что человек охватил своей жизнью, культурой всю биосферу, что мы присутствуем при создании в биосфере нового, небывало мощного геологического фактора.

Академик В. И. Вернадский верил в человеческий разум. Он был убежден, что человечество найдет путь к сохранению биологического равновесия на планете. Биосфера, по его мнению, должна преобразоваться в ноосферу - сферу разума, создаваемую прежде всего развитием науки, научным пониманием происходящих процессов и основанного на нем труда человека. Только человек способен принять на себя функции управления экологическим развитием планеты в целом.

Охрана биосферы

Хрупкая оболочка Земли отделяет планету от мира космоса, где все пространство пронизывает космическое излучение, где вакуум сменяется чудовищным давлением, а невесомость - колоссальными силами гравитации, спасает от космического холода и жара. Значит, в первую очередь важно позаботиться о сохранении земной природы. Для этого необходимо привести в соответствие величину выбросов с возможностями поглощения или усвоения их биосферой Земли, т. е. с возможностью самоочищения; следует, кроме того, наладить службу контроля за состоянием среды - мониторинг.

Не менее важная задача рационально использовать ресурсы планеты. Человечество должно соотносить ежегодное потребление возобновляемых ресурсов с их годовым возобновлением, экономно и дальновидно тратить ресурсы, не способные к самообновлению. Нарушение этих условий ведет к упадку плодородия почв, падению уловов рыбы, сокращению лесных угодий, нехватке пресной воды. Неосмотрительная трата невозобновимых ресурсов может поставить в тяжелое положение грядущие поколения. Истощение рудных запасов раньше, чем найдется им равноценная замена, лишит промышленность необходимого сырья, а полное исчерпание ископаемого топлива до того, как будут найдены новые энергетические источники, остановит, лишит тепла и света все отрасли хозяйства.

Природные цепи отличаются постоянством физического и химического состава и количества участвующих в них элементов. Вода океанов после ряда превращений (проходя через атмосферу, литосферу, живое вещество планеты) снова возвращается в том же виде и количестве в океаны; газы атмосферы, пройдя те же стихии, превращаются в газовую смесь со строго постоянным составом.

Борьба за чистоту биосферы ведется сегодня по следующим направлениям:

Борьба с загрязнениями воздуха, воды и почвы на основе обезвреживания промышленных, сельскохозяйственных, бытовых отходов;

Создание качественно новых технологий, построенных на принципе замкнутых систем, по образцу тех процессов, которые происходят в окружающей природе;

Восстановление нарушенийв биосфере: рекультивация земель, восстановление лесов и плодородия почвы, возрождение популяции животных или растений, которым грозит истребление, и т. д.

Первоочередные мероприятия начинаются с определения научно обоснованных ПДК выбрасываемых веществ. Очистка состоит в установлении дымо-, газо- и золоуловителей на дымовых трубах особо грязных и вредных производств (химическая промышленность, цветная и черная металлургия, энергетика) и очистных сооружений на пути выброса сточных вод с рисовых полей, целлюлозно-бумажных и других предприятий.Каждый вид обладает неповторимым генофондом. Чтобы выжить и не потерять ценных свойств, он должен обитать в своих сообществах, участвовать во внутривидовой и межвидовой борьбе. Вот почему охрана мирового генетического фонда требует сохранения не только отдельных видов, но и целых биогеоценозов со всем разнообразием составляющих их популяций. Сохранение генетического фонда сыграет основную роль в улучшении культурных растений и домашних животных. Не менее важно сохранение фонда ценнейших лекарственных растений. Наша задача - сохранить все виды живых организмов, сберечь все то удивительное видовое разнообразие, которое досталось человечеству как итог длительной эволюции жизни на Земле.



Роль живого вещества в биосфере

Основное внимание в учении о биосфере В. И. Вернадский уделял роли живого

вещества. Ученый писал: «Живые организмы являются функцией биосферы и

теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются

огромной геологической силой, ее определяющей». Благодаря способности к

росту, размножению и расселению, в результате обмена веществ и

преобразования энергии живые организмы способствуют миграции химических

элементов в биосфере.

В. И. Вернадский сравнивал массовые миграции животных, например стаи

саранчи, по масштабам переноса химических элементов с перемещением целого

горного массива.

В живой природе обнаружено около 90 химических элементов, т. е. большая

часть всех известных на сегодняшний день. Нет никаких специальных элементов,

характерных только для живых организмов, поэтому за всю историю

существования биосферы атомы большинства элементов, входящих в ее состав,

неоднократно прошли через тела живых организмов.

Между органическим и неорганическим веществом на планете существует

неразрывная связь, совершаются постоянный круговорот веществ и превращение

энергии. На протяжении всей биологической истории Земли деятельность

организмов определяла состав атмосферы (фотосинтез, дыхание), состав и

структуру почв (деятельность редуцентов), содержание различных веществ в

водной среде. Продукты метаболизма одних организмов, попадая в окружающую

среду, использовались и перерабатывались другими организмами. Благодаря

редуцентам в круговорот веществ включались растительные и животные остатки.

Многие организмы способны избирательно поглощать и накапливать различные

химические элементы в виде органических и неорганических соединений.

Например, хвощи аккумулируют из окружающей среды кремний, губки и

некоторые водоросли - иод. В результате деятельности разных бактерий

образованы многие месторождения серы, железных и марганцевых руд.

Из тел ископаемых растений и планктонных организмов сформировались залежи

каменного угля и запасы нефти. Скелеты мелких планктонных водорослей и

раковинок морских простейших сложились в гигантские толщи известняковых

Особую роль в биосфере играют микроорганизмы. Не будь их, круговорот

веществ и энергии не смог бы осуществляться и поверхность планеты была бы

покрыта толстым слоем растительных остатков и трупов животных.

Лишайники, грибы и бактерии активно участвуют в разрушении горных пород. Их

работу поддерживают растения, чьи корневые системы прорастают в

мельчайшие трещины. Завершают этот процесс вода и ветер.

Кроме деятельности живых организмов на состояние нашей планеты влияют и

другие процессы. Во время вулканических извержений в атмосферу

выбрасывается огромное количество различных газов, частички вулканического

пепла, изливаются потоки расплавленных магматических пород. В результате

тектонических процессов образуются новые острова, меняют облик горные

районы, океан наступает на сушу.

Круговорот воды.

Особое значение для существования биосферы имеет круговорот воды.

С поверхности океанов испаряется огромная масса воды, которая частично

переносится ветрами в виде пара и выпадает в виде осадков над сушей. Обратно

в океан вода возвращается через реки и грунтовые воды. Однако важнейшим

участником циркуляции воды является живое вещество.

В процессе жизнедеятельности растения поглощают из почвы и испаряют в

атмосферу огромное количество воды. Так, участок поля, который за сезон дает

урожай массой в 2 т, потребляет около 200 т воды. В экваториальных районах

земного шара леса, задерживая и испаряя воду, значительно смягчают климат.

Сокращение площади этих лесов может привести к изменению климата и засухам

в прилегающих районах.

Круговорот углерода.

Углерод входит в состав всех органических веществ, поэтому его круговорот

полностью зависит от жизнедеятель­ности организмов. В процессе фотосинтеза

растения поглощают углекислый газ (С0 2) и включают углерод в состав

синтезируемых органических соединений. В процессе дыхания животные,

растения и микроорганизмы выделяют углекислый газ, и углерод, ранее

входящий в состав органических веществ, вновь возвращается в атмосферу.

Углерод, растворенный в морях и океанах в виде угольной кислоты (Н 2 С0 3) и ее

ионов, используется организмами для формирования скелета, состоящего из

карбонатов кальция (губки, моллюски, кишечно­полостные). Причем ежегодно

громадное количество углерода осаждается в виде карбонатов на дно океанов.

На суше около 1% углерода изымается из круговорота, откладываясь в виде

торфа. В атмосферу углерод поступает также в результате хозяйственной

деятельности человека. В настоящее время ежегодно выбрасывается в воздух

около 5 млрд т углерода при сжигании ископаемого топлива (газ, нефть, уголь) и

1-2 млрд т - при переработке древесины. Каждый год количество углерода в

атмосфере увеличивается примерно на 3 млрд т, что может привести к

нарушению устойчивого состояния биосферы.

Огромное количество углерода содержится в горных осадочных породах. Его

возвращение в круговорот зависит от вулканической деятельности и

геохимических процессов.

Ноосфера.

Совместная деятельность живых организмов в течение многих лет

создавала, а в дальнейшем поддерживала определенные условия, необходимые

для существования жизни, т. е. обеспечивала гомеостаз биосферы. В. И.

Вернадский писал: «На земной поверхности нет химической силы, более

постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим

последствиям, чем живые организмы, взятые в целом»

Однако в последнее время в развитии биосферы все большее значение

постепенно приобретал новый фактор – антропогенный. В 1927г. Французские

ученые Эдуард Леруа и Пьер Тейяр де Шарден ввели понятие «ноосфера».

Ноосфера - это новое состояние биосферы, при котором разумная

деятельность человека становится решающим фактором ее развития. В

дальнейшем В. И. Вернадский развил представление о ноосфере как сфере

Под охраной природы принято понимать систему мер, на­правленных на поддержание рационального взаимодействия между деятельностью человека и окружающей природной сре­ды. Эта система мер должна обеспечивать сохранение и восста­новление природных богатств, рациональное использование природных ресурсов, а также предупреждать прямое и косвен­ное вредное влияние промышленного производства на природу и здоровье человека. Одновременно ставится задача обеспечить сохранение равновесия между развитием производства и устой­чивостью окружающей природной среды в интересах человече­ства. Для этого необходимо комплексное изучение процессов, происходящих в окружающей природе, и организация всех ви­дов производств с учетом выявленных закономерностей. Науч­ной Основой для исследований природных объектов и комплекс­ного подхода при организации современного производства явля­ется учение о биосфере Земли.

Термин «биосфера» ввел в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс; основоположник современного учения о биосфере - русский ученый В. И. Вернадский. В представлении В. И. Вер­надского биосфера охватывает то пространство, в котором жи­вое вещество действует как геологическая сила, формирующая облик Земли;

В современном представлении биосфера-это Сложная ди­намическая большая система, состоящая из многих компонен­тов живой и неживой природы, целостность которой поддержи­вается в результате постоянно действующего биологического круговорота веществ.

В основе учения В, И. Вернадского лежат представления О Планетарной геохимической роли живого вещества в образо­вании биосферы, как продукта длительного превращения веще­ства и энергии в ходе геологического развития Земли. Живое Вещество - это совокупность живых организмов, существо­вавших или существующих в определенный отрезок времени И являющихся мощным геологическим фактором. В отличие от живых существ, изучаемых биологией, живое вещество как биогеохимический фактор характеризуется элементарным соста­вом, массой и энергией. Оно аккумулирует и трансформирует солнечную энергию и вовлекает неорганическую материю в не­прерывный круговорот. Через живое вещество многократно про­шли атомы почти всех химических элементов. В конечном итоге Живое вещество определило состав атмосферы, гидросферы, почв и в значительной степени осадочных пород нашей планеты.

В.И. Вернадский указывал, что живое вещество аккумулирует энергию космоса, трансформирует ее в энергию земных процессов (химическую, механическую, тепловую, электрическую и пр.) и в непрерывном обмене веществ с косной материей пла­неты обеспечивает образование живого вещества, которое не только замещает отмирающие его массы, но и привносит новые качества, определяя тем самым процесс эволюции органическо­го мира.

В представлений В. И. Вернадского биосфера включает в се­бя четыре основных компонента:

живое вещество - совокупность всех живых организмов;

биогенное вещество, т. е. продукты, образовавшиеся в ре­зультате жизнедеятельности различных организмов (каменный уголь, битумы, торф, лесная подстилка, почвенный гумус и ip.);

биокосное вещество - преобразованное организмами неорганическое вещество (например, приземная атмосфера, некоторые осадочные породы и т.д.);

косное вещество - горные породы в основном магматическо­го, неорганического происхождения, слагающие земную кору.

Любые виды растений, животных и микроорганизмов, взаимодействуя с окружающей средой, обеспечивают свое существо­вание не как сумма особей, а как единое функциональное целое, представляющее собой популяцию (популяции сосны, кома­ра и т.д.).

По С.С.Шварцу, популяция - это элементарная группи­ровка организмов определенного вида, обладающая всеми не­обходимыми условиями для поддержания своей численности необозримо длительное время и в постоянно изменяющихся условиях среды. Иначе говоря, популяция - это форма сущест­вования вида, та надорганизменная система, которая делает вид потенциально (но не реально) бессмертным. Это свидетель­ствует о том, что приспособительные возможности популяции гораздо выше, чем у слагающих ее отдельных организмов.

Популяция как элементарная экологическая единица обла­дает определенной структурой, которая характеризуется состав­ляющими ее особями и их распределением в пространстве. Популяциям свойственны рост, развитие, и способность поддер­живать существование в постоянно меняющихся условиях.

В природе популяции растений, животных и микроорганиз­мов составляют системы более высокого ранга - сообщества живых организмов, или, как их принято называть, биоценозы. Биоценоз - это организованная группа популяций растений, животных и микроорганизмов, живущих во взаимодействии в одних и тех же условиях среды. Понятие «биоценоз» было предложено в 1877 г. немецким зоологом К- Мебиусом, который установил, что все члены одного сообщества живых организмов находятся в тесной и постоянной взаимосвязи. Биоценоз являет­ся продуктом естественного отбора, когда его устойчивое существование во времени и пространстве зависит от характера взаимодействия популяций и возможно лишь при обязатель­ном поступлении лучистой энергии Солнца и наличии постоян­ного круговорота веществ.

Иногда для упрощения изучения биоценоза его условно раз­деляют на отдельные компоненты: фитоценоз - раститель­ность, зооценоз - животный мир, микробоценоз - мик­роорганизмы. Такое деление приводит к искусственному выделе­нию отдельных группировок живых организмов, которые само­стоятельно существовать не могут. Не может быть устойчивой система, которая состояла бы только из растений или только из животных. Сообщества и их компоненты необходимо рассмат­ривать как биологическое единство разных типов живых орга­низмов.

Биоценоз не может развиваться сам по себе, вне и незави­симо от среды неорганического мира. В результате в природе складываются определенные относительно устойчивые комп­лексы, совокупности живых и неживых компонентов. Простран­ство с однородными условиями, заселенное сообществом организ­мов (биоценозом), называется биотопом, т.е. биотоп - это место существования, место обитания биоценоза. Поэтому био­ценоз можно рассматривать как исторически сложившийся ком­плекс организмов, характерный для данного конкретного био­топа.

Биоценоз образует с биотопом диалектическое единство, био­логическую макросистему еще более высокого ранга - биогео­ценоз. Термин «биогеоценоз», обозначающий совокупность биоценоза и его местообитания, предложил в 1940 г. В. Н. Су­качев. Термин практически тождествен термину «экосистема», который принадлежит А. Тенсли.

Экологическая система - это система, состоящая из живых и неживых элементов среды, между которыми имеет место обмен веществом, энергией и информацией. Экологиче­ские системы разных рангов могут включать ограниченное или очень большое число компонентов и занимать малые или очень большие площади и объемы; экологическая система Европы, экологическая система страны, экологическая система области, района, зоны действия предприятия и т.д.

Под биогеоценозом понимается элемент биосферы, где на известном протяжении биоценоз (сообщество живых организ­мов) и отвечающий ему биотоп (части атмосферы, литосферы и гидросферы) остаются однородными и тесно связанными между собой в единый комплекс. То есть, под биогеоцено­зом понимается естественный природный комплекс, через который не проходит ни одна существенная биоценотическая, геоморфологическая, гидрологическая, микроклиматическая, ночвенно-геохимическая или какая-либо другая граница. Это однородный по топографическим, микроклиматическим, гидро логическим и биотическим условиям участок биосферы. Поня­тие «экологическая система» не несет в себе этого ограничения и может объединять разные природные комплексы (лес, луг, реку и т.д.). Сам биогеоценоз является элементарной экологи­ческой системой.

Элементарная структурная единица биосферы - биогеоце­ноз- состоит из двух взаимосвязанных составляющих (рис. 3.1):

абиотической (биотоп), включающей абиотические элементы внешней среды, находящиеся во взаимосвязи с живы­ми организмами;

биотической (биоценоз), сообщество живых организ­мов, обитающих в пределах выделенного биотопа (выделенной экологической системы).

Абиотическая составляющая включает в себя компоненты: литосфера, гидросфера и атмосфера.

В литосфере выделяются участок массива горных пород, зем­ной поверхности, которые являются местом обитания живых организмов и входят в состав выделенного биоценоза. Важной характеристикой биотопа является участок земной поверхно­сти с особой структурой и вещественным составом почв (педосферы) в пределах выделенного участка.

К гидросфере относятся поверхностные и подземные воды, находящиеся в пределах биотопа и прямо или косвенно обеспе­чивающие жизнедеятельность живых организмов, а также вода, выпадающая на территории выделенного района в виде осад­ков.

К атмосфере (газовой составляющей) относятся: атмосфер­ный воздух; газы, растворенные в поверхностных и подземныхводах; газовая составляющая почв, а также газы, выделяю­щиеся из горного массива, которые прямо или косвенно влияют на жизнедеятельность живых организмов.

Биотическая составляющая природной среды (биоценоз) включает в себя три компонента: фитоценоз-продуценты (про­изводители) первичной продукции, аккумулирующие энергию Солнца; эоценоз- консументы, производители вторичной про­дукции, использующие для своей жизнедеятельности энергию, заключенную в органическом веществе фитоценоза; микробоце-ноз-редуценты (диструкторы), организмы, живущие за счет энергии мертвого органического вещества и обеспечивающие его разрушение (минерализацию) с получением исходных ми­неральных элементов в виде, удобном для использования расте­ниями для воспроизводства первичной органической продукции.

Все компоненты природной среды (биогеоценоза), его био­тическая и абиотическая составляющие находятся в постоян­ной взаимосвязи и обеспечивают эволюционное развитие друг друга. Состав и свойства литосферы, гидросферы и атмосферы в значительной степени определяют живые организмы. При этом сами живые организмы, обеспечивая жизнедеятельность друг друга, зависят от изменений условий внешней среды. Внешняя среда обеспечивает их энергией и необходимыми пи­тательными веществами.

Таким образом, в целом биосфера заключает в себя следующие уровни жизни: популяцию, биоценоз, биогеоце­ноз. Каждый из этих уровней обладает относительной незави­симостью, что и обеспечивает возможность эволюции макроси­стемы в целом, где эволюционирующей единицей является популяция. При этом элементарной структурной единицей био­сферы служит биогеоценоз, т. е. сообщество организмов в сово­купности с неорганической средой обитания (см. рис. 3.1).

В современных условиях деятельность человека преобразует природные богатства (леса, степи, озера). На смену им прихо­дит посев и посадки культурных растений. Так формируются новые экологические системы - агробиогеоценозы или агроценозы. Агроценозами являются не только сель­скохозяйственные поля, но и полезащитные лесные посадки, па­стбища, лесопосадки, пруды и водохранилища, каналы и осу­шенные болота. В большинстве случаев агробиоценозы по своей структуре характеризуются незначительным количеством видов живых организмов, но высокой их численностью. Хотя в струк­туре и энергетике естественных и искусственных биоценозов есть много специфических черт, принципиальных различий меж­ду ними не существует.

Значительно сложнее дело обстоит с экологическими систе­мами, возникающими в зонах влияния промышленных пред­приятий, городов, плотин и других крупных инженерных соору­жений. Здесь в результате активного воздействия людей на окружающую среду формируются качественно новые экологиче­ские системы, функционирование которых обеспечивается в ре­зультате естественных природных процессов и постоянного воз­действия промышленного предприятия иа абиотическую (нежи" вую) и биотическую (живую) составляющие природы.

5. Биотический круговорот веществ в биосфере

Существование биосферы в целом и отдельных ее Частей обеспечивает круговорот веществ и превращение энергии:

Круговорот веществ в биосфере осуществляется в цервуЮ очередь на основании жизнедеятельности большого разнбобра* зия организмов. Каждый организм извлекает из окружающей среды необходимые для своей жизнедеятельности вещества и возвращает неиспользованные. Причем некоторые виды жи« вых организмов потребляют нужные им вещества Непосредст* венно из окружающей среды, другие используют продукты, пе* реработанные и выделенные первыми, третьи - вторыми и так до тех пор, пока вещество вновь не возвращается в природную1 среду в первоначальном состоянии. Отсюда и возникает необхо* димость сосуществования различных организмов (видовое многообразие), способных использовать продукты жизне* деятельности друг друга, т. е. действует практически безотход; ное производство биологической продукции.

Общее число живых организмов и скорость их развития в биоценозе зависят от количества энергии, поступающей в эко­логическую систему, скорости ее передачи Через отдельные элементы системы и от интенсивности циркулйцИй Минеральный веществ. Особенностью этих процессов является то, что пита­тельные вещества (углерод, азот, вода, фосфор и т. Д>) Цирку­лируют между биотопом и биоценозом постоянно, т, е. используй ются бесчисленное-число раз, а энергия, поступающая в эКОло* гическую систему в виде потока солнечной радиации, расходует^ ся Полностью. Согласно закону сохранения И Превращения, энергий, поступающая в экологическую систему, мОЖет перехо* дить из одной формы в другую. Второй фундаментальный прин> цип - любое действие, связанное с преобразованием энергии, не может происходить без ее потери в виде рассеянного в" прост­ранстве Тепла. То есть часть поступающей в экологическою систему энергии терйетсй и не может совершать работу.

Любая экологическая система В Процессе СёОей эволюции стремится к своему равновесному состоянию, когда все ее фн= эические параметры принимают пОСтойНйое значение, & коэффи­циент полезного Действий достигает максимального значении»

Жизнедеятельность любого организма обесйечййаетсй в ре= зультате многосторонних биотических отношений, в которые он вступает с другими организмами. Все организмы Могут быть классифицированы по способу питания и тому трофическо­му уровню, на котором они находятся в общей цепи пита­ния. По способу питания выделяют две группы: автотрофные и гетеротрофные.

Автотрофные обладают способностью создавать органи­ческие вещества из неорганических, используя энергию Солнца или энергию, освобождающуюся при химических реакциях.

Гетеротрофные организмы используют в качестве пищи органическое вещество. При этом в качестве пищи могут ис­пользоваться живые растения или их плоды, мертвые остатки растений и животных. При этом каждый организм в природе в том или ином виде служит источником питания для ряда дру­гих организмов.

В результате последовательного перехода органического ве­щества с одного трофического уровня на другой происходят круговорот вещества и передача энергии в природе (рис. 3.2). При этом органические вещества, переходя с одного трофиче­ского уровня на другой, частично исключаются из круговорота. В результате на Земле происходит накопление органических соединений в виде залежей полезных ископаемых (ТОрф, уголь, нефть, газ, горючие сланцы и др.). Однако Существенно био масса на Земле не накапливается, а удерживается на каком-то определенном уровне, поскольку она постоянно разрушается и вновь создается из одного и того же строительного материа­ла, т.е. в ее пределах протекает беспрерывный круговорот ве­ществ. В табл. 3.1 приводятся данные о скорости воспроизвод­ства биомассы для некоторых природных экологических систем.

В процессе жизнедеятельности организмов в корне преобразо­валась и неживая часть биосферы. В атмосфере появился-сво­бодный кислород, а в ее верхних слоях - озоновый экран; угле­кислота, извлеченная организмами из воздуха и воды, законсер­вировалась в отложениях угля и карбоната кальция.

В результате геологических процессов происходят деформа­ции и разрушение верхней части литосферы. Ранее погребен­ные осадочные породы оказываются вновь на поверхности. В дальнейшем происходит их выветривание, в котором живые организмы также принимают активное участие.

Выделяя углекислоту, органические и минеральные кислоты, они способствуют разрушению горных пород и тем самым уча­ствуют в обеспечении процесса миграции химических элемен­тов.

Общее количество солнечной энергии, ежегодно получаемой Землей, составляет примерно 2-1024 Дж. В процессе фотосинте­за в год образуется около 100 млрд. т органических веществ и аккумулируется 1,9-1021 Дж энергии Солнца. Для процессов фотосинтеза ежегодно вовлекается из атмосферы 170 млрд.т углекислого газа, разлагается фотохимическим путем около 130 млрд. т воды и выделяется в окружающую среду 115 млрд.т кислорода. Кроме этого, в круговорот веществ вовлекается 2 млрд. т азота, кремния, аммония, железа, кальция и многих других веществ. Всего в биологическом круговороте участвуют более 60 элементов.

Фаза синтеза органического вещества сменяется на после­дующем этапе биологического круговорота фазой его разруше­ния с одновременным рассеиванием в пространстве потенциаль­ной химической энергии (в виде тепловой энергии) В результа­те осуществляется переход органического вещества в газовую, жидкую и твердую формы (минеральные и другие соединения). В процессе этих трех фаз происходит возобновление биологиче­ского круговорота, который поддерживается солнечной энергией и в который вовлекаются практически одни и те же массы ве­ществ и химических элементов.

В процессе геологического круговорота веществ осуществля­ется перенос минеральных соединений с одного места в другое в масштабах всей планеты, а также происходит перенос и изме­нение агрегатного состояния воды (жидкая, твердая - снег, лед; газообразная - лары). Наиболее интенсивно вода циркулирует В парообразном состоянии.

Круговорот воды в биосфере основан на том, что суммарное испарение компенсируется выпадением осадков. При этом из океана испаряется воды больше, чем возвращается с осадками. На суше, наоборот, больше выпадает осадков, но излишек стекает в озера И реки, а оттуда снова в океан.

С появлением живого вещества на основе круговорота воды и растворенных в ней минеральных соединений, т.е. на базе абиотического, геологического возник круговорот органического вещества, или малый биологический круговорот.

В биологическом круговороте наиболее важен процесс транспирации. При поглощении почвенной влаги корнями растения с водой в него поступают растворенные в воде мине­ральные и органические вещества. Процесс транспирации важен также и для регулирования температуры растения, предохра­няя его от перегрева. Благодаря потерям тепла, которые проис­ходят при испарении воды, температура растения понижается. Одновременно этот процесс регулируется самим растением - в жаркую погоду устьица, расположенные на листьях, раскры­ваются шире и этим способствуют усилению испарения и пони­жению температуры, а при более низкой температуре устьица прикрываются, интенсивность испарения уменьшается. Таким образом, транспирации одновременно является и физиологиче­ским и физическим процессом, так как от обычного испарения с неживого вещества она отличается возможностями регулиро­вания самим растением.

Транспирационную способность растения часто оценивают по коэффициенту транспирации, характеризующему объем воды, который необходимо затратить для образования единицы массы сухого вещества растения. Например, для обра­зования 1 т наземной растительной массы пшеницы, т.е. зерна и соломы, расходуется 300-500 м3 воды Расход воды на травепирацию зависит от большого числа факторов: от характера самого растения, условий погоды, на­личия влаги в почве. В сухую жаркую погоду растение нужда­ется в расходовании большого количества воды на транспира-цию.

Корни растений всасывают почвенную влагу с разных глу­бин. Корневая система пшеницы распространяется на глубину до 2,0-2,5 м, корни дуба иногда проникают на глубину до 20 м. Благодаря этому растения способны использовать влагу, зале­гающую на больших глубинах, и меньше зависят от колебаний увлажненности поверхностного слоя почвы.

Испарение с почвы нельзя рассматривать изолированно от транспирации Так, например, под пологом леса с поверхности почвы испаряется мало воды, независимо от ее наличия. Это происходит потому, что солнечная радиация слабо проникает через кроны деревьев. Кроме того, под пологом леса скорость движения воздуха замедляется, и он больше насыщен влагой. В этих условиях основная часть влаги испаряется за счет транспирации.

В круговороте воды наиболее важны те фазы, которые про­исходят в пределах отдельных бассейнов рек и озер. Раститель­ность выполняет важную экранирующую функцию, задерживая часть выпадающей в осадках воды. Этот перехват, который, естественно, бывает максимальным при слабых дождях, может в умеренных широтах достигать до 25% общей суммы осадков.

Часть воды задерживается в почве,-причем тем сильнее, чем значительнее почвенный коллоидальный комплекс (гумус и глина). Та часть воды, которая проникает в почву на глубину 20-30 см, может вновь подняться на ее поверхность по капиллярам и испариться. Таким образом, переход воды с поверхности в атмосферу осуществляется в результате физи­ческого испарения и процесса транспирации. При этом количество воды, транспирируемой рас гениями, увеличивается с улучшением их водоснабжения. Так, одна береза испаряет за день 0,075 м3 воды; бук -0,1 м\ липа - 0,2, а I га леса - 20- 50 м3. 1 га березняка, масса листвы которого составляет 4940 кг, испаряет 47 м-" воды в день, а I га ельника, масса хвои которого 31 тыс. кг. транспирирует 43 м:< воды в день. 1 га пше­ницы за период развития использует 375 мм осадков, а проду­цирует 12,5 т (сухая масса) растительного вещества.

Биологический круговорот в противоположность геологиче­скому требует меньших затрат энергии. На создание органиче­ского вещества затрачивается всего 0,!-0,2% падающей на Землю солнечной энергии (на геологический круговорот - до 50%)- Несмотря на это. энергия, вовлеченная в биологический круговорот, производит огромную работу по созданию на плане­те первичной продукции.

Циркуляцию веществ принято называть биогеохимичес-кими циклами. Основные биогеохимические циклы - кру­говорот кислорода, углерода, воды, азота, фосфора и ряда дру­гих элементов.

В целом каждый круговорот любого химического элемента является частью общего грандиозного круговорота веществ на Земле, т. е. все они тесно связаны между собой различными формами взаимодействия. Основными звеньями биогеохимиче­ских циклов выступают живые организмы, которые и обуслов­ливают интенсивность всех круговоротов и вовлечение в них практически всех элементов земной коры.

Практически весь молекулярный кислород земной атмосфе­ры возник и поддерживается на известном уровне благодаря деятельности зеленых растений. В большом количестве он рас­ходуется организмами в процессе дыхания. Но, кроме того, об­ладая высокой химической активностью, кислород непременно вступает в соединения почти со всеми элементами земной коры. Подсчитано, что весь кислород, содержащийся в атмосфере, проходит через живые организмы (связываясь при дыхании и высвобождаясь при фотосинтезе) за 200 лет, углекислота со­вершает круговорот в обратном направлении за 300 лет, а все воды на Земле разлагаются и воссоздаются путем фотосинтеза и дыхания за 2 млн. лет.

Круговорот и миграцию веществ в биохимических циклах можно рассмотреть на примере круговорота углерода (рис. 3.3). На суше он начинается с фиксации углекислого газа растения ми в процессе фотосинтеза. Диоксид углерода, содержащийся в атмосфере, поглощается растениями и в результате фотосин­теза образуются углеводороды и выделяется кислород

В свою очередь, углеводы являются исходным материалом для формирования растений.

Фиксированный в растении углерод в значительной мере по­требляется животными. Животные при дыхании также выделя­ют углекислый газ. Отжившие растения и животные разлагаются микроорганизмами, в результате чего углерод мертвого органи­ческого вещества окисляется до углекислого газа и снова попа­дает в атмосферу. Подобный круговорот углерода совершается и в океане.

Часть углекислого газа из атмосферы поступает в океан, где он находится в растворенном виде. То есть океан обеспечивает поддержание углекислого газа в атмосфере в определенных пределах. В свою очередь, содержание углерода в океане на определенном уровне обеспечивается за счет накопленных запа­сов карбоната кальция в донных осадках. Наличие этого посто­янно действующего природного процесса в определенной сте­пени регулирует содержание углекислого газа в атмосфере и в водах океана.

Круговорот азота, как и другие биогеохимические цик­лы, охватывает все области биосферы (рис. 3.4). Азот, которого очень много в атмосфере, усваивается растениями лишь после соединения его с водородом или кислородом. В современных ус­ловиях в круговорот азота вмешался человек. Он выращивает на обширных площадях азотофиксирующие бобовые растения или искусственно связывает природный азот. Считается, что сельское хозяйство и промышленность дают почти на 60% боль­ше фиксированного азота, чем его образуется в естественных условиях.

Круговорот фосфора, который является одним из ос­новных элементов, необходимых живым организмам, относи­тельно прост. Основные источники фосфора - изверженные (апатиты) и осадочные (фосфориты) породы. Неорганический фосфор вовлекается в круговорот в результате естественных процессов выщелачивания. Фосфор усваивается живыми орга­низмами, которые при его участии синтезируют ряд органиче­ских соединений и передают его на разные трофические уровни. Закончив свой путь по трофическим цепям, органические фос­фаты разлагаются микробами и превращаются в минеральные ортофосфаты, доступные для зеленых растений. В водоемы фосфаты попадают в результате стока рек, что способствует развитию фитопланктона и живых организмов, расположенных на разных уровнях трофической цепи пресно­водных или морских водоемов. Возвращение минеральных фос­фатов в воду также осуществляется в результате деятельности микроорганизмов. Следует, однако, отметить, что фосфаты, от­ложившиеся на больших глубинах, выключаются из круговоро­та, что необходимо учитывать при составлении баланса данного биогеохимического цикла. Таким образом, происходит только частичное возвращение фосфора, попавшего в океан, обратно на сушу. Этот процесс происходит в результате жизнедеятельности птиц, питающихся рыбой.

Частично фосфор поступает на континент в результате выло­ва рыбы, который ведет человек. Однако количество фосфора, ежегодно поступающего с рыбной продукцией,значительно ни­же его выноса в гидросферу, которое достигает многих миллио­нов гонн в год. Кроме того, человек, внося фосфатные удобре­ния па поля, значительно ускоряет процесс выноса фосфора в водотоки и океан. При этом водоемам наносится экологи­ческий ущерб, так как нарушаются естественные процессы жиз­недеятельности организмов, обитающих в воде.

Поскольку запасы фосфора весьма ограничены, то бесконт­рольное его расходование может привести к ряду отрицатель­ных последствий. Он является основным лимитирующим (рак-тором для автотрофных организмов как водной, так и наземной сред, главным регулятором ряда других биогеохимических кру­говоротов. Так, например, содержание нитратов в воде или кислорода в атмосфере в значительной степени зависит от ин­тенсивности круговорота фосфора в биосфере.

6. Природные экологические системы

Структура и динамика популяций. Изучение структуры и ди­намики популяций имеет большое практическое значение.

Не зная закономерностей жизнедеятельности популяции. Нельзя обеспечить разработку научно обоснованных экологических, ин­женерных и организационных мероприятий по рациональному использованию и охране природных ресурсов.

Популяционный подход к изучению жизнедеятельности орга­низмов основан на их способности регулировать свою числен* ность и плотность при воздействии разнообразных абиотических и биотических факторов внешней среды.

Основные параметры популяции - ее численность и плотность. Численность популяции-это общее количество особей на данной территории или в данном объеме. Она никогда не бывает постоянной и, как правило, зависит от соотношения интенсивности размножения и смертности.

Плотность популяции определяется количеством осо­бей или биомассой на единицу площади или объема. Напри» мер, 106 растений березы на 1 га. или 1.5 окуня в I м3 воды характеризуют плотность популяций этих видов. При возраста нии численности плотность Не увеличивается лишь в том слу­чае, если возможно расселение популяции на большую пло­щадь или в большем объеме.

Размеры ареала распространения, численность И плотность популяций непостоянны и могут изменяться в значительных пределах. Нередко эти изменения связаны с деятельностью че­ловека. Но основными причинами такой динамики являются изменения условий существования, наличия кормов (т.е. энерге­тических ресурсов) и других причин.

Установлено, что численность популяций может кОлебаТьСй Небеспредельно. Удержание численности популяции в опреде­ленных пределах обеспечивается ее способностью к саморегу­лированию. Любая популяция всегда имеет нижние И верхние пределы плотности, за границы которых Она выходить не мбжет (рис. 3.5). При благоприятном сочетании факторов плотность популяции удерживается на каком-то оптимальном уровне, Не­значительно отклоняясь от него. Такие колебания плотности Обычно носят правильный, регулярный характер и Четко ОТра жают реакцию Популяции на конкретные изменения условий среды. В природе могут иметь место сезонные колебания ^ие* ленности, особенно у мелких животных (мышевидные грызуны. Насекомые, некоторые птицы). Так, численность мышевидны* грызунов в течение одного сезона иногда увеличивается в 300- Б00 раз, а некоторых насекомых в 1300--1500 раЗ.

Падение плотности ниже оптимальной обусловливает ухуд­шение защитных свойств популяции, уменьшение ее Плодови­тости и ряд Других отрицательных явлений. Популяций С мИ> нимальной численностью особей длительно существовать не могут, Известны случаи вымирания животных с низкой числен­ностью даже в заповедниках с весьма благоприятными условия ми жизни. Повышение плотности сверх оптимальной также не­благоприятно сказывается на популяции, поскольку при этом уничтожается кормовая база и сокращается жизненное прост­ранство.

Популяции регулируют свою численность и приспособлива-ются к изменяющимся условиям среды путем обновления осо­бей. Особи появляются в популяции благодаря рождению и иммиграции, а исчезают в результате смерти и эмиграции. При сбалансированной интенсивности рождаемости и смертно­сти формируется стабильная популяция. В такой популяции смертность компенсируется приростом, т.е. численность популя­ции к ее ареал удерживается на определенном уровне.

Однако равновесия популяций в природе не существует. Каждая популяция наделена как статическими, так и динами­ческими свойствами, поэтому плотность их постоянно колеблет­ся. Но при стабильных внешних условиях колебания эти проис­ходят около какой-то средней величины. В результате популя­ции не сокращаются и не увеличиваются, не расширяют и не сужают своего ареала.

Саморегулирование плотности популяции осуществляется действующими в Природе двумя взаимно урав­новешивающимися силами. Это, с одной стороны, свойственная организмам способность к размножению, с другой -- зависящие от плотности популяции процессы, ограничивающие воспроиз­водство. Авторегуляция плотности популяции - необходимое приспособление для поддерживания жизни в постоянно меняю­щихся условиях.

Популяция - это наименьшая эволюционирующая едини­ца. Она существует не изолированно, а в связи с популяциями других видов. Поэтому в природе одновременно широко распро странены и внепопуляционные механизмы автоматической регу­ляции, точнее межпопуляционные. При этом популяция являет­ся регулируемым объектом, а в качестве регулятора выступает природная система, слагающаяся из множества популяций раз­ных видов. Эта система в целом и входящие в ее состав попу­ляции других видов влияют на данную, конкретную популяцию, а каждая в отдельности со своей стороны воздействует на всю систему, в состав которой она входит.

Функционирование и структура биогеоценозов. В биоценозах между различными видами живых организмов возникают опре­деленные связи. Основной формой этих связей служат пищевые взаимоотношения, на базе которых формируются сложные цепи и циклы питания и пространственные связи. Именно иа пище­вых и пространственных отношениях (трофических и топических) строятся разнообразные биотические ком­плексы, объединяющие виды живых организмов в единое целое, т.е. в биологическую макросистему - биогеоценоз.

Естественные биогеоценозы обычно представляют собой мно­говидовые сообщества. И чем разнообразнее по видовому соста­ву биоценоз, тем у него больше возможностей для более пол­ного и экономичного освоения материальных и энергетических ресурсов.

Все звенья цепи питания взаимосвязаны и зависимы друг от друга. Между ними, от первого к последнему звену, осуще­ствляется передача вещества и энергии (рис. 3.6,а). При пере­даче энергии с одного трофического уровня на другой происхо­дит ее потеря. Вследствие этого цепь питания не может быть длинной. Чаще всего она состоит из 4-6 звеньев на суше и 5-8 в океане. В любой цепи питания не вся пища используется на рост особи, т.е. на накопление биомассы. Часть ее расходуется на удовлетворение энергетических затрат организма: на дыхание, движение, размножение, поддержание температуры тела и др. При этом биомасса одного звена не может быть перерабо­тана последующим звеном полностью. В каждом последующем звене пищевой цепи происходит уменьшение биомассы по срав­нению с предыдущим. Это касается не только биомассы, но и численности особей и потока энергии.

Это явление было изучено Ч. Элтоном и названо пирамидой чисел, или пирамидой Элтона (рис. 3.6.6). Основание пирами­ды образуют растения - продуценты, Над ними располагаются фитофаги. Следующее звено представлено консументами второго порядка. И так далее до вершины пирамиды, которую состав­ляют наиболее крупные хищники. Число этажей пирамиды обыч­но соответствует числу звеньев пищевой цепи.

Экологические пирамиды выражают трофическую структуру экологической системы в геометрической форме. Они могут быть построены из отдельных прямоугольников одинаковой высоты, длина которых в определенном масштабе отражает значение измеряемого Параметра. Таким образом можно по­строить пирамиды чисел, биомассы и энергии.

Источником энергии для биологического круговорота ве­ществ является солнечная радиация, аккумулируемая зелеными растениями - автотрофами. Из всей достигающей Земли сол­нечной радиации только около 0,1-0,2% энергии улавливается Зелеными растениями и обеспечивает весь биологический круго­ворот веществ в биосфере. При этом более половины энергии, связанной с фотосинтезом, расходуется самими растениями, а остальная аккумулируется в теле растения и в дальнейшем Служит источником энергии для всего многообразия организмов последующих трофических уровней.

Живое вещество играет огромную роль в развитии нашей планеты. К такому выводу пришел русский ученый В. И. Вернадский, исследовав состав и эволюцию земной коры. Он доказал, что полученные данные не могут быть объяснены лишь геологическими причинами, без учёта роли живого вещества в геохимической миграции атомов.

Начиная с момента зарождения, жизнь постоянно развивается и усложняется, оказывая воздействие на окружающую среду, изменяя её. Таким образом, эволюция биосферы протекает параллельно с историческим развитием органической жизни .

Время жизни на Земле измеряется примерно 6–7 миллиардами лет. Возможно, что примитивные формы жизни появились еще раньше. Но первые следы своего пребывания они оставили 2,5–3 млрд лет назад. С этого времени произошли коренные изменения поверхности планеты и сформировалось до 5 млн видов животных, растений и микроорганизмов. На Земле возникло живое вещество , заметно отличающееся от неживой материи.

Развитие жизни привело к появлению новой общепланетной структурной оболочки биосферы, тесно взаимосвязанной единой системы геологических и биологических тел и процессов преобразования энергии и вещества.

Биосфера - не только сфера распространения жизни, но и результат её деятельности.

Особое место среди живых организмов заняли растения , потому что они обладают способностью к фотосинтезу . Они продуцируют практически все органическое вещество на планете (растений насчитывается почти 300 тыс. видов).

Функции живого вещества

В. И. Вернадский дал представление об основных биогеохимических функциях живого вещества:

1. Энергетическая функция связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по цепям питания, рассеиванием.

Эта функция - одна из важнейших. В её основе лежит процесс фотосинтеза, в результате которого происходит аккумуляция солнечной энергии и ее последующее перераспределение между компонентами биосферы.

Биосферу можно сравнить с огромной машиной, работа которой зависит от одного решающего фактора - энергии : не будь её, все немедленно остановилось бы.
В биосфере роль основного источника энергии играет солнечное излучение.

Биосфера аккумулирует энергию, приходящую из Космоса на нашу планету.

Живые организмы не просто зависят от лучистой энергии Солнца, они выступают как гигантский аккумулятор (накопитель) и уникальный трансформатор (преобразователь) этой энергии.

Это происходит следующим образом. Растения-автотрофы (и микроорганизмы-хемотрофы) создают органическое вещество. Все остальные организмы планеты - гетеротрофы. Они используют созданное органическое вещество в пищу, что приводит к возникновению сложных последовательностей синтеза и распада органических веществ. Это-то и является основой биологического круговорота химических элементов в биосфере.

Стало быть, живые организмы есть важнейшая биохимическая сила, преобразующая земную кору .

Миграция и разделение химических элементов на земной поверхности, в почве, в осадочных породах, атмосфере и гидросфере осуществляются при непосредственном участии живого вещества. Поэтому в геологическом разрезе живое вещество, атмосфера, гидросфера и литосфера - это взаимосвязанные части единой, непрерывно развивающейся планетарной оболочки - биосферы.

2. Газовая функция - способность изменять и поддерживать определённый газовый состав среды обитания и атмосферы в целом.

Преобладающая масса газов на планете имеет биогенное происхождение.

Пример:

Кислород атмосферы накоплен за счет фотосинтеза.

3. Концентрационная функция - способность организмов концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы, повышая их содержание по сравнению с окружающей организмы средой на несколько порядков.

Организмы накапливают в своих телах многие химические элементы.

Пример:

Среди них на первом месте стоит углерод. Содержание углерода в углях по степени концентрации в тысячи раз больше, чем в среднем для земной коры. Нефть - концентратор углерода и водорода, так как имеет биогенное происхождение. Среди металлов по концентрации первое место занимает кальций. Целые горные хребты сложены остатками животных с известковым скелетом. Концентраторами кремния являются диатомовые водоросли, радиолярии и некоторые губки, йода - водоросли ламинарии, железа и марганца - особые бактерии. Позвоночными животными накапливается фосфор, сосредотачиваясь в их костях.

Результат концентрационной деятельности - залежи горючих ископаемых, известняки, рудные месторождения и т.п.

4. Окислительно-восстановительная функция связана с интенсификацией под влиянием живого вещества процессов как окисления благодаря обогащению среды кислородом, так и восстановления прежде всего в тех случаях, когда идет разложение органических веществ при дефиците кислорода.

Пример:

Восстановительные процессы обычно сопровождаются образованием и накоплением сероводорода, а также метана. Это, в частности, делает практически безжизненными глубинные слои болот, а также значительные придонные толщи воды (например, в Черном море).

Подземные горючие газы являются продуктами разложения органических веществ растительного происхождения, захороненных ранее в осадочных толщах.